DE1951383B2

DE1951383B2 - Röntgenröhren-Drehanode mit einem Verbundkörper aus einem Schwermetallteil und wenigstens einem Graphitteil und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1951383B2
Application number: DE1951383A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Friedel; Walter Dipl.-Phys. 8521 Spardorf Wiche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-10-11
Filing date: 1969-10-11
Publication date: 1974-02-07
Also published as: DE1951383A1; FR2065293A5; US3710170A; DE1951383C3; GB1300477A; CH504779A

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhren-Drehanode mit einem in seinem Zentrum an der Achse der Drehanode befestigten Verbundkörper aus einem scheibenförmigen Schwermetallteil und wenigstens einem Graphitteil, wobei die Brennfleckbahn auf dem Schwermetallteil liegt. Die Erfindung umfaßt ferner Verfahren zur Herstellung einer solchen Drehanode. Röntgenröhren mit derartigen Anoden werden verwendet wegen der hohen spezifischen Wärme und des guten Abstrahlvermögens des Graphits, um höhere Belastbarkeiten zu erzielen.

Die bekannten Graphi! enthaltenden Anoden der eingangs genannten Art für Drehanoden-Röntgenröhren bestehen aus einer an der Achse befestigten Graphitscheibe, deren Oberfläche wenigstens an 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 ergibt Graphit Schwierigkeiten, weil sich das große Volumen des Graphits 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 mechanische Beanspruchung des Graphits wegen Umdrehungszahlen bis über 10 000 pro min und Drehbeschleunigungen von 200 bis 300 Umdrehungen pro see² sehr groß. Bei der Auswahl des Graphits muß daher vor allem auf gute Festigkeit geachtet werden. Dies bedeutet aber, daß auch schlech-

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lere thermische Eigenschaften und schlechtere Elastizität in Kau!' genommen werden müssen. Auch bei früher vorgeschlagenen und bei bekannten Drehanoden, bei denen ein Metallring über einen Graphilkörper an der Achse befestigt ist, muß auf die Festigkeit dieser Teile Rücksicht genommen werden.

Aiifgane der Erfindung ist es, Röntgenrohren-Drehanoden zu schaffen, bei welchen die Graphitauswahl nach den Erfordernissen der Anwendung im Vakuum einer Röntgenröhre ohne Rücksicht auf Erfordernisse der Festigkeit durchgeführt werden kann und bei welcher ohne besonderen Aufwand dicke Metallteile verwendbar sind, bei denen eine evtl. Karbidbildung nicht zu Störungen führen kann.

I ι findungsgemäß wird die vorgenannte Aufgabe ivi einer Röntgenröhren-Drehanode der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Schwermetallteil in seinem Zentrum an der Achse befestigt ist und ι!·-Γ oder die Graphitteil(e) an ihm angebracht ist bzw. 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 speiehern und abstrahlen. Die Anode ist dadurch kurzzeitig hoch belastbar, weil im Metallteil 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. Als Mittel zur Befestigung der Graphitteile am Schwermetallteil ist besonders das bei Röntgenröhren zur Anbringung von Scheiben aus Metall an Körpern aus Kohlenstoff bekannte Löten zu erwähnen. Damit wird gut wärmeleitende Verbindung zwischen den Teilen ereicht.

Durch die Erfindung werden gegenüber den bekannten Röhren im wesentlichen folgende Vorteile erzielt:

1. Die Kurzbelastbarkeit entspricht mindestens derjenigen von üblichen Schwcrmetalltellcrn.

2. Die Langzeitbclastbarkeil ist verbessert wegen der zusätzlichen Wärmekapazität und Abstrahlung des Graphits. Die Wärincabstrahlung kann wegen der veirchiedenartigen Ausbildungsmöglichkeilcn der Graphiteile und der Wärmeleitung durch das Metall auch diejenige von ganz aus Graphit bestehenden Tellern übertreffen.

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

4. Durch die erfindungsgemäßc 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 Ausführungsform der Erfindung besteht die Anode aus einem in 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 Telierdickc von IO 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 Graphit-

:o körper eingelötet, welche die Bohrungen 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 herausstellende Teil kann auch andere als die Bohrungsform haben und kann etwa kegelförmig sein. Auch Abstufungen der Länge der herausstehenden Teile, z. H. um Tellerrand kurzer als im Zentrum, können die Abstrahlung fördern und aus geometrischen Gründen nutzlich oder erforderlieh sein.

Als Lot eignen sich verschiedene hochschmelzende Metalle oder Mischungen aus diesen, vorzugsweise eine Zirkon-Molybdän-Legierung bzw. ein 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 Verwendung eines Molybdänkörpers kann eine Moiybdän-Molybdänkarbid-Eulektikumslötung 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 hohe Anodentemperaturen 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 bis 2500'· C nie der Fall ist, treten wegen der unterschiedlichen Temperaturen in der Anode thermische Spannungen auf. Dadurch sind Lötverbindungen zwischen Schwermetall und Graphit in erster Linie durch Schub- und Zugspannungen sehr gefährdet. Auch Graj hit 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 (Schrumpfvorgang). Da die Lötfläche sich entfernt vom Entstchungsort der Wärme der Brennfleckbahn befindet, wird im Betrieb die Schmelztemperatur des l.olc-, nicht erreicht. Somit treten keine Schub- 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 in« SrliwprmMnil ι™»ι4ιι·μ-

clert. Ein in dieser Beziehung brauchbares Lot ist etwa Zirkonkarbid, Tantalkarbid oder Hafniumkarbid. Bei Verwendung von Zr oder Hf bildet sich die cliffusionshemmcndc Schicht an der Berührungsfläche mit dem Graphit während eines Erhitzungs- s Vorganges, etwa der Verleitung, 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 strcifcnförmige Graphitteile mit ihren Schmalseiten an der Unterseite des Tellers in radialer Richtung angebracht und unter Umständen noch unterteilt werden.

Bei Auswahl hinreichend angeglichener thermischer Ausdehnungseigenschaflcn kann an der Unterseite auch eine etwa I bis IO mm 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 z. B. Rillen, können eingebracht werden. Bei Röhren, bei denen an der der Kathode zugewandten Oberfläche nur geringfügige Mengen von Streuelektronen auftreffen und die nicht bei sehr hohen Spannungen betrieben werden müssen, können zusätzlich die oberen Teile der Anoden zur weiteren Erhöhung der Wärmeabstrahlung mit Graphitteilen versehen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Figuren dargestellten Ausiührungsbeispiele erläutert. In der

Fig. 1 ist das Schaubild einer Röhre dargestellt, deren Anode aufgebrochen ist. um die an ihrer Unterseite in Bohrungen eingelöteten Graphitteile sichtbar zu machen, in der

Fig. 2 der Schnitt durch eine Anode, deren Unterseite in konzentrischen Nuten Graphitringe enthält, in der

F i g. 3 eine Anode, bei welcher die in F i g. 2 dargestellten Ringe radiale Unterbrechungen aufweisen, in der

F i g. 4 die Unterseite einer Anode, an welcher streifenförmige Kühlrippen aus Graphit radial angebracht sind.

In der Fig. 1 ist ein gläserner Kolben 1 einer Drehanoden-Röntgenröhre 2 gezeigt. Im Kolben 1 ist an einem Ende eine Kathode 3 und am anderen Ende eine Anode 4 angebracht. Die Kathode besteht aus der Umhüllung 5, welche in einem Ansatz 6 die eigentliche, hier nicht sichtbare Glühkathode in bekannter Ausführung enthält. Die Anode 4 umfaßt in ebenfalls bekannter Weise einen Rotor 7, der an seiner Achse 8 die eigentliche Verbundanode 9 trägt, die mittels einer Schraube 10 festgehalten ist. Die Anode 9 besteht aus einem Metallkörper 11 aus einer Molybdän und 5" 0 Wolfram enthaltenden Legierung. Zwei Brennflcckbahnen 12 und 13, die gegenüber der Senkrechten auf der Achse 8 verschiedene Neigungen nach unten aufweisen, liegen auf einer Belegung 14 aus einer Wolfram und !0" 0 Rhenium enthaltenden Legierung, die 1 nun stark ist.

An der Unterseite des 10 mm dicken Metallkörpers 11 sind 5 mm tiefe Bohrungen von 10 mm Durchmesser eingebracht, in welche Graphitteile 15 eingelötet sind. Lötmittel ist das Eutcktikum, welches aus Molybdän und Zirkonium erhalten wird. Die eigentliche Lotung 16 ist in der Zeichnung durch eine verdickte Ausführung der Begrenzung der Bohrungen angedeutet.

Die Erzeugung von Röntgenstrahlen erfolgt in bekannter Weise dadurch, daß zwischen einer der Leitungen 17, 18 und 19 und dem Anodenstiel 20 Hochspanung 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 Metallkörper 11 abgeleitet, in den Graphitteilen 15 gespeichert und dann abgestrahlt.

In der F i g. 2 ist ein aus Molybdän bestehender Teller 21 an der Unterseite mit ringförmigen konzentrisch zur Drehachse liegenden Nuten versehen, in welchen Graphitringe 22, 23 und 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 F i g. 3 ein aus Molybdän bestehender Anodenteller 25 mit ringförmigen Nuten 26, 27 und 28 versehen, in weiche sektorförmige 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 äußeren 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 F i g. 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 eingefräst, so daß die 10 mm breiten Graphitteile 33 eingelötet werden können und noch 10 bis 20 mm weit herausragen. Auch bei dieser Ausführung ergibt sich gute Wärmespeicher- und -abstrahlfähigkeit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Röntgenröhren-Diehanode mit einem in seinem Zentrum an der Achse der Drehanode befestigten Verbundkörper aus einem scheibenförmigen Schwermetallteil und wenigstens einen» Graphitteil, wobei die Brenn fleckbahn auf dem Schwermetallteil liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwermetallteil (11, 21, 25, 32, 34, 37) in seinem Zentrum an der Achse befestist ist und der oder die Graphitteil(e) (15, 22 bis~24, 29 bis 31, 33, 35, 38) an ihm angebracht ist bzw. sind.

2. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Graphitteil(e) an der der Brennfleckbahn abgewandten Seite ucs Schwermetallteils liegen.

3. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Graphitteil(e) mittels einer Lotschicht (16, 36) an den Schwermetallteil (11, 34) angelötet sind.

4. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da£ die Graphitteile als Stöpsel (15) ausgebildet sind, die in Bohrungen an der der Brennfleckbahn abgewandten Seite des Schwermetallteils (11) angebracht sind.

5. Röntg iröhren-Drehanode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen an ihren Enden abgerundet sinu (Fig. 1).

6. Röntgenröhren-Dichanc Ie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite des Schwermetallteils (21) konzentrisch zur Drehachse Ringnuten angebracht sind, in welche Graphitteile (22 bis 24; 29 bis 31) eingesetzt sind (Fig. 2 und 3).

7. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitteile als Ringe (22 bis 24) ausgebildet sind (F i g. 2).

8. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitteile durch radiale Unterbrechungen eetrennte Sektoren (29 bis 31) sind (Fig. 3).

9. Röntgcr.röhren-Drehanode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der der Brennfleckbahn abgewandten Seite des Schwermetallteils (32) radiale Graphitstreifen (33) als Kühlrippen eingelötet sind.

10. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich auch an der Seite des Schwermetalltsils, an der die Brennfleckbahn liegt, Graphitteile angebracht sind.

11. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitteile konzentrische und/oder radiale Einschnitte aufweisen.

12. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwermetallteil aus Molybdän besteht.

13. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotschicht (16, 36) aus dem Eutektikum von Zirkon und Wolfram besteht.

14. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot aus einer 70% Zirkon und 30% Molybdän enthaltenden Legierung besteht.

15. Rontgcnröhren-Dreluinode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot aus dem F.utekiikum von Molybdän und Molybdänkarbid besteht.

Ifi. Röntgenröhren-Drehaiiüde nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmittel Zirkon oder Hafnium ist.

17. Verfahren zum Anbringeu der Graphitteile einer Drehanode nach Anspruch i 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitteile an die gewünschten Stelion des Molybdänteils gebracht und dann die Kombination auf 2200^: C erhitzt wird.

18. Verfahren zur Anlötung von Graphitteilen einer Drehanode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verlötenden Graphitflächen zuvor mit einer Schicht aus Zirkonkarbid, Tantalkarbid oder Hafniumkarbid bedeckt werden.