DE102004003368A1 - Rotary anode disc for use in high voltage X ray tubes has body of molybdenum or tungsten alloy having inset alloy layers - Google Patents

Rotary anode disc for use in high voltage X ray tubes has body of molybdenum or tungsten alloy having inset alloy layers Download PDF

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Abstract

Rotary anode discs for high power rotary tubes such as used in X ray equipment have a main body [3] of molybdenum or tungsten and have an inset ring [4] of tungsten and rhenium alloy. The underside has a ring groove [5] filled with layers of copper [6,8] and nickel [7,9].

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehanodenteller, insbesondere für eine Hochleistungs-Drehkolbenröhre mit direkter Anodenkühlung, mit einem Grundkörper aus einer Wolfram- oder Molybdänlegierung, insbesondere aus Titan-Zirkonium-Kohlenstoff-legiertem Molybdän mit einer Wolfram-Rhenium-Schicht im Bereich der Brennbahn.The The invention relates to a rotary anode plate, in particular for one High-performance rotary piston tube with direct anode cooling, with a basic body of a tungsten or molybdenum alloy, in particular made of titanium-zirconium-carbon-alloyed molybdenum with a tungsten-rhenium layer in the area of the focal track.

Bei Drehkolbenröhren ist der Anodenteller direkt mit dem Öl gekühlt. Dies führt zu größeren Temperaturgradienten im Anodenteller als bei herkömmlichen Röntgenröhren, bei denen die Tellerunterseite nur durch Strahlung abkühlen kann. Zwar lassen sich derartige Drehkolbenröhren mit direkt in einer Flüssigkeit gekühltem Anodenteller mit höheren Leistungen betreiben, doch führt der vergrößerte Temperaturgradient zu erhöhten Zugspannungen im Material durch den Betrieb.at Rotary tube the anode plate is cooled directly with the oil. This leads to larger temperature gradients in the anode plate than in conventional X-ray tubes, at which the bottom of the plate can cool only by radiation. Although can be such rotary tubes with directly in a liquid chilled Anode plate with higher Perform services, but leads the increased temperature gradient to increased Tensile stresses in the material during operation.

Durch diese hohen Zugspannungen können sich im Betrieb Risse in der Brennbahn und im Anodenteller bilden, wobei diese Risse relativ schnell in das Tellermaterial hineinwachsen und dabei die Gefahr besteht, dass sie gänzlich durchwachsen, was natürlich zu einem völligen Ausfall der Röhre führen würde.By these high tensile stresses can Cracks in the focal path and in the anode plate form during operation, these cracks grow into the plate material relatively quickly and at the same time there is the danger that they will be completely overgrown, which of course increases a complete one Failure of the tube to lead would.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drehanodenteller für eine direkt gekühlte Hochleistungsdrehkolbenröhre so auszugestalten, dass das zyklische Risswachstum gebremst und wenn möglich vollständig gestoppt wird.Of the Invention is therefore the object of a Drehanodenteller for one directly cooled High-performance rotary piston tube in such a way that the cyclic crack growth slowed down and completely stopped if possible becomes.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Drehanodenteller der eingangs genannten Art vorgesehen, dass der Grundkörper unterhalb der Brennbahn mit einer dieser gegenüber verbreiterten Ringaussparung versehen ist, in der das Material des Grundkörpers – von der Brennbahn aus nach unten betrachtet – durch eine Schichtfolge von Kupfer und Nickel, Niob, Tantal oder Stahl ersetzt ist.to solution This object is achieved according to the invention at a Drehanodenteller provided of the type mentioned that the body below the focal track with one of these opposite widened ring recess is provided, in which the material of the body - from the focal track to after viewed below - through a layer sequence of copper and nickel, niobium, tantalum or steel is replaced.

Die genannten Materialien sind nicht nur sehr viel duktiler als das spröde Tellermaterial des Grundkörpers, wobei der bruchmechanische KQ-Wert deutlich über der Betriebsbeanspruchung liegt. Sie weisen auch einen relativ hohen Widerstand gegen zyklisches Risswachstum auf und darüber hinaus ist ihre Wärmeleitung λ als Verbund in der gleichen Größenordnung wie diejenige des Materials des Grundkörpers, so dass die Wärmeabfuhr durch das Vorsehen der rissbremsenden Schichten nicht wesentlich verändert wird.The materials mentioned are not only much more ductile than the brittle plate material of the main body, whereby the fracture mechanical K Q value is significantly higher than the operating stress. They also have a relatively high resistance to cyclic crack growth and, moreover, their thermal conductivity λ as a composite is of the same order of magnitude as that of the material of the base body, so that the heat dissipation is not substantially changed by the provision of the crack-braking layers.

Die λ-Werte der insgesamt verwendeten Materialien betragen: TZM (Tellergrundmaterial) 130 W.m/K Cu 400 Ni 92 Nb 53 Ta 54 Austenit. Stahl 20 Cr-Stahl 30 The λ values of the total materials used are: TZM (plate base material) 130 Wm / K Cu 400 Ni 92 Nb 53 Ta 54 Austenite. stole 20 Cr steel 30

Man kann beispielsweise aus den fünf zuletzt genannten Materialien, also von Nickel bis Chrom-Stahl, einen Blechstreifen bzw. eine Scheibe einsetzen, wenn man entsprechend dem Temperaturwiderstand ein etwas dickeres Kupferblech zusätzlich einsetzt, so dass der Gesamt-Temperaturwiderstand des TZM wieder in etwa erreicht wird. Wird der Gesamt-Temperaturwiderstand zu hoch, dann wird die Brennbahnspitzentemperatur zu hoch, wird der Gesamt-Temperaturwiderstand aber zu klein, dann wird das Kühlöl zu heiß und beginnt zu cracken.you For example, from the five latter materials, ie from nickel to chrome steel, one Insert metal strip or a disc, if you like the temperature resistance a slightly thicker copper sheet additionally used, so that the overall temperature resistance of the TZM reaches again approximately becomes. If the total temperature resistance is too high, then the Focal point temperature too high, the total temperature resistance becomes but too small, then the cooling oil gets too hot and starts too crack.

Zyklische Risswachstumsversuche haben dabei gezeigt, dass speziell am Übergang von Kupfer zu Nickel (in etwas geringerem Umfang auch zu Niob oder Tantal) ein Anriss über längere Zeit stehen bleibt, wobei dieses Stehenbleiben über längere Zeit bedeutet, dass bei größeren Spannungsintensitätswerten ein Anriss 20.000 bis 40.000 Zyklen stehen bleiben kann.cyclic Crack growth experiments have shown that especially at the transition from copper to nickel (to a lesser extent also to niobium or Tantalum) a crack over longer Time stops, but this standing for a long time means that at larger voltage intensity values a crack can stop 20,000 to 40,000 cycles.

Daraus resultiert, dass man möglichst mehrere Schichtfolgen Kupfer und Niob, Tantal oder bevorzugt Nickel vorsieht, dass man also beispielsweise unter einer ersten Schichtfolge Kupfer und Niob eine weitere Schichtfolge Kupfer/Nickel anordnet.from that that results as much as possible several layer sequences copper and niobium, tantalum or preferably nickel provides that, for example, under a first layer sequence Copper and niobium another layer sequence copper / nickel arranges.

Speziell bei einem unerwartet negativen Temperatureinfluss auf da/dN (dies bedeutet die Änderung der Risslänge pro Zyklus) bietet sich an, das im Hinblick auf das Stoppen eines Anrisses an sich bevorzugte Nickel durch kriechbeständigere Materialien zu ersetzen.specially at an unexpectedly negative temperature effect on da / dN (this means the change of crack length per cycle) offers, in terms of stopping a Cracked per se preferred nickel by more resistant to creeping To replace materials.

Man kann in diesem Fall beispielsweise die erste Nickelschicht durch Niob ersetzen (wegen der höheren Schmelztemperatur von Niob mit 2.468 °C gegenüber der Schmelztemperatur 1.453 °C von Nickel). Daraus ergibt sich, dass die Betriebstemperatur bei Niob einer homologen Temperatur von 0,32 gegenüber 0,51 bei Nickel entspricht. Daraus wiederum resultiert, dass Kriecheffekte bei Niob geringer ausgeprägt sind. Die Verwendung von Tantal wird nur in Sonderfällen zweckmäßig sein, da dieses Material zwar im Sinne der Erfindung hervorragende Eigenschaften aufweist, jedoch aus Umweltschutzgründen und wegen der Versprödungsneigung weniger als die beiden anderen geeignet ist.you in this case, for example, the first nickel layer by Replace niobium (because of the higher Melting temperature of niobium at 2,468 ° C compared to the melting temperature of 1,453 ° C of nickel). It follows that the operating temperature of niobium a homologous Temperature of 0.32 compared 0.51 corresponds to nickel. This in turn results in creep effects less pronounced with niobium are. The use of tantalum will be appropriate only in special cases, because this material, while excellent properties in the context of the invention However, for environmental reasons and because of the embrittlement tendency less than the other two is suitable.

Eine weitere Alternative ist der Ersatz von Nickel durch einen stickstofflegierten Edelstahl, weil dieser Stahltyp eine extrem hohe Risszähigkeit besitzt und um den Faktor 5 kleinere Risswachstumsraten als Kupfer besitzt. Derartige Stahlschichten sollten aber bevorzugt nicht alle Nickelschichten in den verschiedenen Schichtfolgen ersetzen, sondern bevorzugt nur in einer der untersten Schichtfolgen eingesetzt sein. In jedem Fall ist es anzustreben, dass eine oder mehrere Schichtfolgen Kupfer-Nickel vorhanden sind, um die ein gangs angesprochenen hervorragenden Unterbrechungen des Risswachstums speziell am Übergang von Kupfer zu Nickel auszunutzen.A Another alternative is the replacement of nickel with a nitrogen alloy Stainless steel, because this steel type has an extremely high fracture toughness has and has a factor of 5 smaller crack growth rates than copper. However, such steel layers should preferably not all nickel layers in the different layer sequences replace, but preferred only be used in one of the lowest layer sequences. In any case It is desirable to have one or more layer sequences of copper-nickel are present to the initially mentioned outstanding interruptions Crack growth especially at the transition from copper to nickel.

Anstelle der Ausbildung der Schichten als Bleche kann es auch vorteilhaft sein, wenn die erste und/oder die erste und die zweite Nickelschicht durch ein Nickel, Niob- oder Stahlnetz ersetzt sind, wobei anstelle eines Netzes auch ein Lochblech eingesetzt werden könnte. Durch diese Ausbildung kann erreicht werden, dass ein im Kupfer voranschreitender Riss beim Passieren des Hindernisses sich verzweigt, wodurch die Spannungsintensität an den zwei neu gebildeten Rissspitzen fast um den Faktor 2 abnimmt. Da die da/dN-Werte von dem zyklischen Spannungsintensitätsfaktor ΔK exponentiell abhängen, wird eine deutliche Erniedrigung der zyklischen Risswachstumsrate erreicht.Instead of The formation of the layers as sheets can also be advantageous when the first and / or the first and the second nickel layer replaced by a nickel, niobium or steel net, instead of a mesh could also be used a perforated plate. By this training can be achieved that one progressing in the copper Crack when passing the obstacle branches, causing the voltage intensity to the two newly formed crack tips decreases almost by a factor of two. There the da / dN values of the cyclic stress intensity factor ΔK exponential depend, will significantly lower the cyclic crack growth rate reached.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in die Schichtfolgen Keramik- oder Glasfaserverstärkungen als Rissstopper eingebracht sind, was beispielsweise in der Weise erfolgen kann, dass die Keramik- oder Glasfaserverstärkungen in eine Ringaussparung einer Kupferlage eingelegte beabstandete Ringe sind. Zur Herstellung werden im einfachsten Fall diese Faserbündel mit Lötfolie umwickelt oder mit Lötmaterial getränkt, in Kanäle der Kupferlage eingelegt und die Aussparung anschließend, vorzugsweise durch Ausgießen, wieder verfüllt. Glas- oder Keramikfasern besitzen eine sehr hohe Festigkeit, die je nach Typ 1000 bis 4000 N/mm2 betragen kann, und haben auch einen sehr hohen kritischen Spannungsintensitätsfaktor, oberhalb dessen erst ein Risswachstum unterkritisch oder überkritisch Weiterwachsen kann. Das Konzept des Einbettens von Keramik- oder Glasfaserverstärkungen beruht darauf, dass lokale Verformungen im Kupfer im Bereich der Rissspitze nicht mehr auftreten können, wenn dieser Bereich die Glasfasern passiert und das Faserbündel die Kräfte aufnimmt, so dass dann ein Rissstopp einsetzt.In a further embodiment of the invention can be provided that in the layer sequences ceramic or glass fiber reinforcements are introduced as crack stopper, which can be done for example in such a way that the ceramic or glass fiber reinforcements are inserted into a ring recess of a copper layer spaced rings. In the simplest case, these fiber bundles are wrapped with solder foil or impregnated with solder material, inserted into channels of the copper layer, and then filled again, preferably by pouring out the recess. Glass or ceramic fibers have a very high strength, which can be 1000 to 4000 N / mm 2 , depending on the type, and also have a very high critical stress intensity factor above which crack growth can continue to grow subcritically or supercritically. The concept of embedding ceramic or glass fiber reinforcements is based on the fact that local deformations in the copper in the area of the crack tip can no longer occur when this area passes the glass fibers and the fiber bundle absorbs the forces, so that then a crack stop.

Das geeignetste Material wäre SiC, da es die gleiche Wärmeleitung wie das Tellergrundmaterial aufweist. Dieses kommt aber aus Kostengründen nur bedingt in Frage, so dass bevorzugt dann doch Keramikfasern oder Glasfasern mit dem Nachteil einer schlechteren Wärmeleitung eingesetzt werden sollen.The most suitable material would be SiC, since it has the same heat conduction as the plate base material has. This comes but for cost reasons only Conditionally in question, so preferably then ceramic fibers or Glass fibers are used with the disadvantage of poorer heat conduction should.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen die 1 bis 5 einen Schnitt durch das untere Ende einer Drehkolbenröhre mit unterschiedlichen Aufbauten des erfindungsgemäß ausgestalteten Drehanodentellers, wobei links die Aussparung im Grundkörper des Drehanodentellers ohne das eingebrachte Ersatzmaterial zu erkennen ist und rechts die Schichtfolge des Ersatzmaterials der jeweiligen Ausführungsform dargestellt ist.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of an embodiment and from the drawing. The show 1 to 5 a section through the lower end of a rotary tube with different structures of the inventively designed Drehanodentellers, on the left the recess in the main body of the rotating anode plate without the introduced replacement material can be seen and the layer sequence of the replacement material of the respective embodiment is shown on the right.

Der vakuumdicht in das untere Ende der Vakuumhülle 1 der Drehkolbenröhre eingesetzte Drehanodenteller 2 besteht aus einem Grundkörper 3 aus einer Wolfram- oder Molybdänlegierung, vorzugsweise aus TZM, das heißt einem Titan-Zirkonium-Kohlenstoff-legierten Molybdän, mit einer Wolfram/Rhenium-Schicht 4 im Bereich der Brennbahn. Dieser Grundkörper 3 ist unterhalb der Brennbahn mit einer dieser gegenüber verbreiterten Ring-Aussparung 5 versehen, in der das Material des Grundkörpers, also das TZM, – von der Brennbahn aus nach unten betrachtet – durch eine Schichtfolge von Kupfer und Nickel, Niob, Tantal oder Stahl ersetzt ist.The vacuum-tight in the lower end of the vacuum envelope 1 the rotary piston tube used rotary anode plate 2 consists of a basic body 3 of a tungsten or molybdenum alloy, preferably of TZM, that is a titanium-zirconium-carbon-alloyed molybdenum, with a tungsten / rhenium layer 4 in the area of the focal track. This basic body 3 is below the focal track with one of these opposite widened ring recess 5 provided, in which the material of the body, so the TZM - viewed from the focal point downwards - replaced by a layer sequence of copper and nickel, niobium, tantalum or steel.

Beim Ausführungsbeispiel nach 1 ist eine doppelte Schichtenfolge Kupfer/Nickel untereinandergeordnet, das heißt man hat zunächst eine Kupferschicht 6 gefolgt von einer Nickelschicht 7 und anschließend wiederum eine Kupferschicht 8 gefolgt von einer Nickelschicht 9. Diese Schichtfolge hat wegen der zweifachen Übergänge Kupfer/Nickel besonders gute Eigenschaften, was das Stoppen von Rissen an der jeweiligen Grenzfläche anlangt.According to the embodiment 1 is a double layer sequence copper / nickel with each other ordered, that is, one first has a copper layer 6 followed by a nickel layer 7 and then turn a copper layer 8th followed by a nickel layer 9 , This layer sequence has particularly good properties because of the double transitions copper / nickel, which involves the stopping of cracks at the respective interface.

Beim Ausführungsbeispiel nach 2 ist die Schicht 7 keine Nickelschicht sondern eine Niob- oder Tantalschicht, während die Schichten 8 und 9 wiederum Kupfer- bzw. Nickelschichten sind. Darüber hinaus kann beim Ausführungsbeispiel nach 2 der gestrichelte Ringbereich 10 oberhalb der Kupferschicht 6 ebenfalls durch Kupfer ersetzt sein.According to the embodiment 2 is the layer 7 no nickel layer but a niobium or tantalum layer while the layers 8th and 9 again copper or nickel layers are. In addition, according to the embodiment 2 the dashed ring area 10 above the copper layer 6 also be replaced by copper.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 folgt auf die obere Kupferschicht 6 ein Lochblech 7' oder ein Netz jeweils aus Nickel, Niob, Tantal oder Stahl. Anschließend sind wiederum die bereits angesprochenen Kupfer- und Nickelschichten 8 und 9 angeordnet.According to the embodiment 3 follows the upper copper layer 6 a perforated plate 7 ' or a net of nickel, niobium, tantalum or steel respectively. Subsequently, again, the already mentioned copper and nickel layers 8th and 9 arranged.

Die Ausführungsbeispiele nach den 4 und 5 unterscheiden sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dadurch, dass zunächst der Ringbereich 10 ebenfalls zur Aussparung 5 gehört und somit eine entsprechend dicke Kupferschicht 6' vorhanden ist. In diese sind Faserbündel 11 aus Keramik- oder Glasfasern eingebettet, wobei man bei 12 die Lötnaht erkennt, die durch das Einsetzen der Faserbündel in eine gerundete Ringaussparung der Kupferschicht 6' und das anschließende wieder Ausfüllen dieser Ringnut nach dem Einbringen der Faserbündel 11 entsteht. Die Faserbündel 11 sind dabei bevorzugt unter Verwendung von Lotmaterial, beispielsweise einer Lotfolie, in eingefräste Ringe der Schichten 7Kupferschicht 6'eingelegt. Nach unten folgen dann noch die bis 9 wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen. Die beiden Ausführungsbeispiele nach den 4 und 5 unterscheiden sich dabei lediglich durch die Form der Aussparung der Kupferschicht 6', in welche die Faserbündel 11 eingelegt sind.The embodiments of the 4 and 5 differ from the previous embodiments in that first the ring area 10 also to the recess 5 belongs and thus a correspondingly thick copper layer 6 ' is available. In these are fiber bundles 11 embedded in ceramic or glass fibers, where at 12 detects the soldering seam, by inserting the fiber bundles in a rounded ring recess of the copper layer 6 ' and the subsequent refilling this annular groove after the introduction of the fiber bundles 11 arises. The fiber bundles 11 are preferably using solder material, such as a solder foil, in milled rings of the layers 7 copper layer 6 ' inserted. Down then follow up to 9 as in the previous embodiments. The two embodiments according to the 4 and 5 differ only by the shape of the recess of the copper layer 6 ' into which the fiber bundles 11 are inserted.

Claims (7)

Drehanodenteller, insbesondere für eine Hochleistungs-Drehkolbenröhre mit direkter Anodenkühlung, mit einem Grundkörper aus einer Molybdän- oder Wolfram-Legierung, insbesondere aus Titan-Zirkonium-Kohlenstoff-legiertem Molybdän mit einer Wolfram-Rhenium-Schicht im Bereich der Brennbahn, dadurch gekennzeichnet , dass der Grundkörper unterhalb der Brennbahn mit einer dieser gegenüber verbreiteten Ring-Aussparung versehen ist, in der das Material des Grundkörpers – von der Brennbahn aus nach unten betrachtet – durch eine Schichtfolge von Kupfer und Nickel, Niob oder Tantal oder Stahl ersetzt ist.Drehanodenteller, in particular for a high-performance rotary piston tube with direct anode cooling, with a base made of a molybdenum or tungsten alloy, in particular of titanium-zirconium-carbon alloyed molybdenum with a tungsten-rhenium layer in the region of the focal path, characterized in that the base body below the focal point is provided with a ring recess which differs from this in which the material of the base body - viewed downwards from the focal point - is replaced by a layer sequence of copper and nickel, niobium or tantalum or steel. Drehanodenteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine erste Schichtfolge aus Kupfer und wahlweise Niob, Tantal oder bevorzugt Nickel wenigstens eine weitere Schichtfolge Kupfer/Nickel-Niob-Tantal folgt.Rotary anode plate according to claim 1, characterized in that that on a first layer sequence of copper and optionally niobium, Tantalum or preferably nickel at least one further layer sequence Copper / nickel niobium-tantalum follows. Drehanodenteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine erste Schichtfolge aus Kupfer und Niob, Tantal oder bevorzugt Nickel, vorzugsweise nach einer weiteren derartigen Schichtfolge eine Schicht aus Stahl, insbesondere aus austenitischem Edelstahl und/oder aus Chromstahl eingesetzt ist.Rotary anode plate according to claim 1 or 2, characterized characterized in that a first layer sequence of copper and Niobium, tantalum or preferably nickel, preferably after another Such layer sequence is a layer of steel, in particular of Austenitic stainless steel and / or chromium steel is used. Drehanodenteller nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Schichten, insbesondere die Nickel- oder Niobschicht der ersten Schichtfolge in Form eines Lochblechs oder Netzes ausgebildet sind.Rotary anode plate according to claim 2 or 3, characterized characterized in that individual layers, in particular the nickel or niobium layer of the first layer sequence in the form of a perforated plate or network are formed. Drehanodenteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Schichtenfolgen Kohlenstoff-, Keramik- oder Glasfaserverstärkungen als Rissstopper eingebracht sind.Rotary anode plate according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the layer sequences carbon, Ceramic or glass fiber reinforcements introduced as crack stopper. Drehanodenteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-, Keramik- oder Glasfaserverstärkungen in eine Ringaussparung einer Kupferlage eingelegte beabstandete Ringe sind.Rotary anode plate according to claim 5, characterized in that that the carbon, ceramic or glass fiber reinforcements in a ring recess of a copper layer inserted spaced Rings are. Drehanodenteller nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel mit Lotfolie umwickelt oder mit Lotmaterial getränkt in Kanäle der Kupferlage eingelegt werden, und dass die Aussparung anschließend vorzugsweise durch Ausgießen wieder verfüllt wird.Rotary anode plate according to claim 5 or 6, characterized characterized in that the fiber bundles wrapped with solder foil or impregnated with solder material inserted into channels of the copper layer be, and that the recess then preferably by pouring again filled becomes.
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