DE1951383A1

DE1951383A1 - Drehanoden-Roentgenroehre

Info

Publication number: DE1951383A1
Application number: DE19691951383
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl-Phys Friedel; Walter Dipl-Phys Wiche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-10-11
Filing date: 1969-10-11
Publication date: 1971-04-22
Also published as: US3710170A; FR2065293A5; CH504779A; GB1300477A; DE1951383C3; DE1951383B2

Description

Drehanoden-Röntgenröhre

Die Erfindung betrifft eine Drehanoden-Röntgenröhre, deren Anode ein Verbundkörper aus Schwermetall- und Graphitteilen ist, wobei die Brennfleckbahn auf dem Schwermetall liegt. Röntgenröhren mit derartigen Anoden werden verwendet wegen der hohen spezifischen Wärme und des guten Abstrahlvermögens des Graphits, um höhere Belastbarkeiten zu erzielen.

Die bekannten Graphit enthaltenden Anoden für Drehanoden-RÖntgenröhren bestehen aus einer Graphitscheibe, deren Oberfläche wenigstens in der Brennfleckbahn mit einer Schicht aus Schwermetall belegt ist. Solche Schichten werden'beispielsweise aufgedampft, aufgesprüht oder durch pyrolytische Zersetzung von Verbindungen erzeugt. Um dabei in wirtschaftlicher Weise arbeiten zu können und die technologischen Gegebenheiten auszunutzen, müssen die Schichten dünn sein. Solche Schichten haben aber den Nachteil, dass sie etwa bei der Verwendung von Wolfram unter Bildung eines Karbids zerstört werden. Karbidschichten sind überdies spröde und haben schlechte Wärmeleitung, so- dass sie den hohen Wärmewechselbeanspruchungen moderner Hochleistungsröntgenröhren nicht gewachsen sind. Andererseits ist der Graphit nachteilig, well sich das grosse Graphitvolumen wegen seiner Porosität nur schwer entgasen lässt. Es besteht die Gefahr, dass die Anode beim späteren Betrieb nachgast. Bei Hochspannungsüberschlägen kann andererseits leicht Graphit verdampfen oder es können Graphitteilchen im hohen elektrischen Feld losgerissen werden, was durch Ausbildung von lichtbogenartigen Entladungen zu Störungen der Kathodenemission und letztlich zur Zerstörung der Röhre führt. Ausserdem ist die mecha-

109817/0933

SAD

nische Beanspruchung des Graphits wegen Umdrehungszahlen bis über 10.000 pro min und Beschleunigungen von 200 bis 300 Um-

2
. drehungen pro see sehr gross. Bei der Auswahl des Graphits muss daher vor allem auf gute Festigkeit geachtet werden. Dies bedeutet aber_? dass auch schlechtere thermische Eigenschaften und schlechtere Elastizität in Kauf genommen werden müssen.

Erfindungsgemäss werden die obengenannten -Nächteile dadurch ver*- mieden, dass der Verbundkörper aus einem scheibenförmigen ' Schwermetaliteil besteht, bei dem die Graphitteile ausserhalb der Brennfleckbahn angebracht sind. Dadurch wird eine Anode erhalten, deren tragende Struktur die Scheibe aus Schwermetall bildet, an, welchem sich Graphitteile befinden, welche die von der Platte aus der Brennfleckbahn abgeleitete Wärme speichern und abstrahlen. Die Anode ist dadurch kurzzeitig hoch belastbar, weil im Met^llteil wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit schneller Wärmeabtransport von der Brennfleckbahn stattfindet. Andererseits ist auch gute Dauerbelastbarkeit gegeben, weil in den Graphitteilen wegen der grossen Wärmekapazität und Abstrahlfähigkeit auf die Dauer die Wärme entfernt werden kann. Durch die Erfindung werden gegenüber den bekannten Röhren im wesentlichen folgende Vorteile erzielt:

1. Die Kurzzeitbelastbarkeit entspricht mindestens derjenigen von üblichen Schwermetalltellern.

2. Die Langzeitbelastbarkeit ist verbessert wegen der zusätzlichen Wärmekapazität und Abstrahlung des Graphits. Die Warmeabstrahlung kann wegen der verschiedenartigen Ausbildungsmöglichkeiten der Graphitteile und der Wärmeleitung durch das Metall auch diejenige von ganz aus Graphit bestehenden Tellern übertreffen.

10 8 817 /0 9 3 3 original insf£Ctsd

3. Die Halterung des Tellers besteht aus Schwermetall, so dass man bei der Wahl der Graphiteigenschaften frei ist von Festigkeitserwägungen.

4. Durch die erfindungsgemässe Ausbildung ergibt sich eine im Verhältnis zum Volumen grössere Graphitoberfläche als bei den bekannten Graphittellern. Damit wird neben der Abstrahlung auch die Entgasbarkeit verbessert.

5." Die Graphitteile können an der von der Kathode abgewandten Seite der Anodenteller angebracht werden, so dass sich diese Teile ausserhalb des direkten Hochspannungsfeldes befinden, welches zwischen Anode und Kathode liegt.

In einer wegen ihrer hohen Wirksamkeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Anode aus einem in an sich bekannter Weise geformten Schwermetallteller aus Molybdän, welchem 5 % Wolfram zulegiert sind,und der an der Brennfleckbahn eine Deckschicht aus Wolfram und 10 % Rhenium besitzt. Von der Unterseite her sind in diesen Teller bei einer Tellerdicke von 10 mm etwa 5 mm tiefe Bohrungen eingebracht mit einem Durchmesser von 5 bis 35 mm. Kleinere Durchmesser als 5 mm sind durchaus möglich, erfordern jedoch steigenden Arbeitsaufwand im Verhältnis zu der gleichfalls gesteigerten Wirksamkeit. Die obere Grenze der Durchmesser der Bohrungen und ihre Tiefe ist durch die Abmessungen der Anodenteller, Durchmesser und Dicke begrenzt. In die Bohrungen werden Graphitkörper eingelötet, welche die Bohrung weitestgehend ausfüllen und mit der Tellerfläche abschneiden bzw. je nach den räumlichen Verhältnissen bis zu etwa 25 mm oder mehr über die Telleroberfläche herausragen. Der herausstehende Teil kann auch andere als die Bohrungsform haben und kann etwa kegelförmig etc. sein. Auch Abstufungen der Länge der herausstehenden T_eile, z.B. am Tellerrand kürzer als im Zentrum, können die Abstrahlung fördern und aus ■ geometris.chen Gründen nützlich oder erforderlich sein.

109817/0933 - * -

■-. 4-

Als Lot eignen sich verschiedene hochschmelzende Metalle oder Mischungen aus diesen, vorzugsweise ein Zirkon-Molybdän bzw." Zirkon-Wolfram-Eutektikum. Gute Lötungen lassen sich aber auch·erhalten mit einem Eutektikum von Molybdän und Molybdän-Karbid. Die Lötung kann in bekannter Weise dadurch bewerkstelligt werden, dass ein Pulvergemisch, welches der angestrebten Zusammensetzung entspricht,· dem einzulötenden Teil beigegeben wird und dann die Erhitzung erfolgt. Bei der Terfe wendung eines Molybdänkörpers kann eine"Molybdän-Molybdänkar-" bid-Eutektikumslötung auch ohne besonderes Lötmittel erhalten werden. Man braucht nur die Graphitteile in die gewünschte Lage-zu bringen und dann auf ca. 2200° C zu erhitzen. Bei dieser Temperatur erfolgt in den Berührungsgebieten die Bildung des verlötenden Eutektikums.

Beim Betrieb einer. Röntgenröhre-treten grosse Anodentemperatü-■ ren und grosse Temperaturunterschiede in der Anode auf. Selbst wenn das Schwermetall und der verwendete Graphit gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hätten, was aber für den grossen Temperaturbereich von etwa 0°'"C- bis 2500° C nie der Fall ist, treten wegen der unterschiedlichen Temperaturen in ψ der Anode thermische Spannungen auf. Dadurch sind Lötverbindungen zwischen Schwermetall und Graphit in erster Linie durch Schub- und Zugspannungen sehr gefährdet. Auch Graphit selbst hat nur geringe Schub- und Zugfestigkeit, jedoch gute Druckfestigkeit. Im Rahmen der Erfindung werden auch diese Schwierigkeiten beseitigt. Die Fixierung des Graphitteils erfolgt z.B. im Molybdän bei der Erstarrungstemperatur des verwendeten Lotes. Wegen des gegenüber Graphit grösseren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Molybdäns werden Graphitteile bei weiterer Abkühlung unter Druck festgehalten (Schrumpf Vorgang) Da die Lötfläche sich entfernt vom Entstehungsort der Wärme der Brennfleckbahn befindet, wird im· Betrieb die Schmelztemperatur des Lotes nicht erreicht. Somit treten keine Schub-

• ■ ■ ; ; ', -^:i^^r 10 9 8 17/ 0933 ⁵

19b1383

und Zugspannungen an der lötfläche auf, sondern nur Druckspannungen, so dass die Festigkeit der Verbindung sehr gross ist. Das Lot verbessert darüber hinaus den Wärmekontakt und damit den Wärmeübergang vom Schwermetall zum Graphit.

Bei geeigneter Zusammensetzung wird auch eine Diffusion von Kohlenstoff ins Schwermetall verhindert. Ein.in dieser Beziehung brauchbares Lot ist etwa Zirkonkarbid, Tantalkarbid, Hafmiumkarbid etc.. Bei Verwendung von Zr oder Hf bildet sich die diffusionshemmende Schicht an der Berührungsfläche mit dem Kohlenstoff (Graphit etc.) während eines Erhitzungsvorganges, etwa der Verlötung, von selbst aus.

Ohne die Bohrung einer Vielzahl von Löchern kommt man aus, wenn konzentrisch um die Drehachse herum an der Unterseite des Metalltellers Nuten eingedreht und diese mit passenden Graphitringen, gefüllt werden. Zur Verbesserung der Lötverbindung können diese Ringe radial unterteilt sein. Eine Ausführung mit radialen Kühlrippen wird erhalten, indem streifenförmige Graphitteile mit ihren Schmalseiten an der Unterseite des Tellers in radialer Richtung angebracht und unter Umständen noch unterteilt werden.

Bei Auswahl hinreichend angeglichener thermischer Ausdehnungseigenschaften kann an der Unterseite auch eine etwa 1 bis 10mm dicke Graphitplatte angelötet werden, welche die gesamte Fläche des Tellers abdeckt. Die Zuverlässigkeit der Lötverbindung bei thermischer Wechselbeanspruchung wird dadurch erhöht, dass die Graphitplatte mit radialen und/oder konzentrischen Einschnitten versehen wird. Auch die Oberfläche vergrössernde Strukturierungen, wie Rillen etc., können eingebracht werden. Bei Röhren, bei denen an der der Kathode zugewandten Oberfläche nur geringfügige Mengen von Streuelektronen etc. auftreffen und die nicht bei sehr hohen Spannungen betrieben werden müssen, können zusätzlich die oberen.Teile der Anoden zur weiteren Erhöhung

f0984:'7/09 3 3 ORIGINAL INSPECTED - 6 -

der Wärmeabstrahlung mit Graphitteilen versehen werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand, der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

.■..-"■· In der Fig. 1 ist das Schaubild einer Röhre dargestellt,

deren Anode aufgebrochen ist, um die an ihrer

Ik Unterseite in Bohrungen eingelöteten Graphit-

"■-■■" teile sichtbar zu machen,

■■■-.. in der Fig. 2 der Schnitt durch eine Anode, deren Unterseite

in konzentrischen Nuten Graphitringe enthält,

in der Fig. 3 eine Anode, bei welcher die Ringe gemäss Fig.2 radiale Unterbrechungen aufweisen,.

in der Fig. 4 die Unterseite einer Anode, an welcher streifenförmige Kühlrippen aus Graphit radial angebracht sind,

" in der Fig. 5 der Schnitt durch eine Anode, deren Unterseite

ganz mit einem Graphitteil abgedeckt, ist und '

in der Fig. 6 der Schnitt durch eine Anode, die zusätzlich . auch an der Oberfläche mit einem Graphitteil belegt ist.

In der Fig. 1 ist mit 1 der gläserne Kolben der Drehanoden-Röntgenröhre 2 bezeichnet. Im Kolben 1 ist am einen Ende die Kathode 3 und am anderen Ende die Anode 4 angebracht. Die Kathode besteht aus der Umhüllung 5, welche in einem Ansatz 6 die eigentliche, hier nicht sichtbare Glühkathode in an sich bekannter Ausführung enthält. Die Anode 4 umfasst in ebenfalls

Will 7/093 3 .^₁"

ORIGINAL

bekannter Weise den Rotor 7, der an seiner Achse 8 die eigentliche Yerbundanode 9 trägt, die mittels der Schraube 10 festgehalten ist. Die Anode 9 besteht aus dem Metallkörper 11 aus einer Molybdän und 5 % Wolfram enthaltenden Legierung. Die beiden Brennfleckbahnen 12 und 13, die gegenüber der Senkrechten auf der Achse 8 verschiedene Neigungen nach unten aufweisen, liegen auf einer Belegung 1*4 aus einer Wolfram und IQ % Rhenium enthaltenden legierung, die 1 mm stark ist.

An der Unterseite des 10 mm dicken Metallteiles 11 sind 5 mm tiefe Bohrungen von 10 mm Durchmesser eingebracht,, in welche die Graphitteile 15 eingelötet sind. lötmittel ist das Eutektikum, welches aus Molybdän und Zirkonium erhalten wird. Die. eigentliche Lötung ist in der Zeichnung durch eine verdickte Ausführung der Begrenzung der Bohrungen angedeutet und mit 16 bezeichnet. ,

Die Erzeugung von Röntgenstrahlen erfolgt in bekannter Weise dadurch, dass zwischen einer der Leitungen 17, 18 und 19 und dem Anodenstiel 20 Hochspannung und zwischen einer.der Leitungen 17 und 18 und der Leitung 19 eine Heizspannung für die in dem Ansatz 6 befindlichen Glühkathoden angeschlossen wird. Von der Glühkathode ausgehend prallen dann auf eine oder beide der Brennfleckbahnen 12 und 13 Elektronen auf und lösen Röntgenstrahlen aus. Bekanntlich entsteht dabei als Nebenprodukt sehr viel Wärme. Diese wird dann im Metallteil 11 abgeleitet, in den Graphitteilen 15 gespeichert und dann abgestrahlt*

In der Fig. 2 ist ein aus Molybdän- bestehender Teller 21 an der Unterseite mit ringförmigen konzentrisch zur Drehachse liegenden Nuten versehen, in welchen die Graphitringe 22, 23, 24 eingelötet sind. Auch bei dieser Ausführung kann genauso wie nach Fig. 1 die Wärmeabstrahlung über die Graphitteile 22 bis 24 erfolgen. In Weiterbildung dieser Ausführung ist gemäss Fig. 3

109817/0933 BAD™ ~ ^β-

ί961383

ein aus Molybdän bestehender Anodenteller 25 mit ringförmigen Nuten 26, 27, 28 versehen, in welche die sektorförmigen Teile von Graphitringen so eingefügt sind, dass radiale Unterbrechungen erhalten werden, die in den einzelnen Ringen so liegen, dass sie gegeneinander- auf Lücke stehen. Die Graphitteile der ausseren Nut 26 sind dabei mit 29, diejenigen der mittleren Nut 27 mit 30 und diejenigen der inneren Nut mit 31 bezeichnet. Die Verlötung geschieht durch Erhitzen auf ca. 2200° C. Zwischen die Ringstücke wird zusätzlich eine Mischung aus Molybdän- und Molybdänkarbid-Pulver eingebracht.

In der Fig. 4 ist eine Drehanode dargestellt, deren Teller 32 10 mm dick ist. An der Unterseite des Tellers 32 sind streifenförmige Graphitteile 33 als radiale Kühlrippen angebracht. Zu diesem Zweck sind entsprechende radiale 3 bis 5 mm tiefe Nuten eingefrästj so dass die 10 mm breiten Graphitteile 33 eingelötet werden, können und noch TO bis 20 mm weit herausragen. Auch bei dieser Ausführung ergibt sich gute Wärmespeicherund -abstrahlfähigkeit.

Bei der Ausführung einer Anode gemass Fig. 5 ist an der Unterseite des 8 mm dicken Molybdäntellers 34 ein 6 mm dicker Graphitkörper 35 mittels einer Lötschicht 36 aus Zr/Mo angelötet. Auch bei. der Drehanode gemass Fig. 6 ist an der Unterseite des Ahodenkörpers 37 aus Wolfram ein Graphitkörper 38 angelötet. Ausserdem weist der Körper 37 an seiner Oberseite eine vom inneren Rand der Brennfleckbahn 42 begrenzte Fläche auf, die Vertieft ist und den Graphitkörper 43 eingelötet enthält. Bei dieser Ausführung wird auch nach oben verbesserte Abstrahlung; der Wärme erzielt. Ausserdem ist durch die.Vermehrung der Graphitkörper die Wärmekapazität vergrössert.

10 98 1 7 /09 3 3 original inspected

Claims

Patentansprüche

\X). Drehanoden-Röntgenröhre mit einer Anode, die ein Verbundkörper aus Schwermetall und Graphitteilen ist, wobei die Brennfleckbahn auf dem Schwermetall liegt, . d a d u r c h gekennzeichnet , dass das Schwermetallteil (11, 21, 25, 32, 34, 37) scheibenförmig 1st und die Graphitteile (15, 22, 24, 29 bis 31, 33, 35, 38, 34) ausserhalb der Brennfleckbahn (12, 13) daran angebracht sind.
2. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitteile nur an der Unterseite der Scheibe liegen.
3. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitteile mittels einer Lotschicht (16) angelötet sind.
4. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitteile als Stöpsel (15) ausgebildet sind, die in Bohrungen an der Scheibenunterseite angebracht sind.
5. Röhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen an ihrem Ende abgerundet sind (Fig. 1, und 2).
6. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

an der Unterseite der Scheibe konzentrisch zur Drehachse Ringnuten angebracht sind, in welcher Graphitringe (22 bis 24) eingesetzt sind.
7. Röhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitringe radial durch Unterbrechungen in Teile (26 bis 28) unterteilt sind.

- 10 10 9 8 17/0933

1383
8. Rohre nach Anspruch !,.dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite der Scheibe (32) nach der Art radialer Kühlrippen Streifen (33) eingelötet sind.
9. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Unterseite der Scheibe (34) mit einer Platte (35) aus Graphit belegt ist.
10. Röhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur sätzlich auch an der Oberseite der Anode (37) Graphitteile (43)

angebracht" sind. *

11. Röhre nach Anspruch 9 und/oder 10, dadurch gekenn-

^: zeichnet, dass die Graphitteile konzentrische und/oder radiale . Einschnitte aufweisen.

12. Röhre nach einem der vorhergehenden, Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe die Form eines bekannten Röntgenröhren-Drehanodentellers hat»

13. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwermetall Molybdän ist.

14. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Schwermetall und den Graphitteilen eine Lotung (16, 36) ist, die aus dem Eutektikum von Zirkon und Wolfram besteht. . -.

15. Röhre nach Anspruch 1 ₃ dadurch gekennzeichnet, dass das Lot aus einer 70 % Zirkon und 30 % Molybdän enthaltenden Legierung besteht.

16. Röhre,nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot aus dem Eutektikum von Molybdän und Molybdänkarbid besteht. ·

1098 1 7/0933 ~ ¹¹ "

ORIGINAL INSPECTED

19S1383

17. Verfahren zum Anbringen der Graphitteile gemäss Anspruch 1 ,^ dadurch gekennzeichnet, dass bei. der Verwendung von Molybdän als Schwermetall die Graphitteile an die gewünschten Stellen gebracht und dann die Kombination auf 2200° C erhitzt wird.

18. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verlötenden Graphitflächen zuvor mit einer Schicht aus Zirkonkarbid, Tantalkarbid, Hafmiumkarbid etc. bedeckt werden.

19. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmittel Zirkon oder Hafmium ist,

ORIGINAL INSPECTEO

10 9 817/0933

Leers e i f e