DE1951383C3

DE1951383C3 - Röntgenröhren-Drehanode mit einem Verbundkörper aus einem Schwermetallteil und wenigstens einem Graphitteil und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1951383C3
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: 1974-08-29
Also published as: CH504779A; FR2065293A5; GB1300477A; DE1951383B2; US3710170A; DE1951383A1

Description

as Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhren-Drehanode mit einein ii seinem Zentrum an der Achse der Drehanode befestigten Verbundkörper aus einem scheibenförmigen SchwermetaUteil und wenigstens einem Graphitteil, wobei die Brennfleckbahn auf dem

SchwermetaUteil 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 Abstrahlvermögcns des Graphits, um höhere Belastbarkeiten zu erzielen.

Die bekannten Graphit enthaltenden Anoden der eingangs genannten Art für Drehanoden-Röntgenröhren bestehen aus einer an der Achse befestigten Graphitscheibe, deren Oberfläche wenigstens an der

Brerinfleckbahn mit einer Schicht aus Schwermetall beicgt ist. Solche Schichten werden beispielsweise aufgedampft, aufgesprüht oder durch pyrolytischc 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

5" schlechte Wärmeleitung, so daß sie den hohen Wärmewechsclbeanspruchungen moderner Hochlcistungsrönlgcnröhrcn 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 Hochspannungsüber.schliigen kann andcrcr.ieits leicht Graphit verdampfen, oder es können Graphitleilchen im hchcn elektrischen Feld losgerissen werden, was durch Ausbildung von lichtbogenartigen Entladungen zu Störungen der Kathodenemission und letzt lich zur Zerstörung der Röhre führt. Außerdem ist die mechanische Beanspruchung des Graphits wegen Umdrehungszahlen bis über 10 000 pro min und Drehbcschleunigungen 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-

tore thermische Eigcnsch»flen und schlechtere ElastizjtiH in Kauf genommen werden müssen. Auch bei früher vorgeschlagenen und bei bekannten Drehanoden, bei denen ein Metallring über einen Graphitkürper an der Achse befestigt ist, muß auf die Festigkeit dieser Teile Rücksicht genommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, Röntgen roh ren-Prehanoden ^u schaffen, bei welchen die Graphitauswahl nach den Erfordernissen der Anwendung im Vakuuir. 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. Karbidbüdung nicht zu Störungen führen kann.

Erfindungsgemäß wird die vorgenannte Aufgabe bei einer Röntgenröhren-Drehanode der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Schwermetallteil in seinem Zentrum an der Achse befestigt ist und der 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, weiche die von der Platte aus der Brennfleckbahn abgeleitete Wärme speichern und abstrahlen. Die Anode ist dadurch kurzzeitig hoch belastbar, weil im Metallteil wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit schneller Wärmeabtransport von der Brcnnfleckbahn 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 ereichi.

Durch die Erfindung werden gegenüber den hekannt.n Röhren im wesentlichen folgende Vorteile erzielt:

1. Die Kurzbelastbarkeit entspricht mindestens derjenigen von üblichen Schwcrmetalltellein.

2. Die Langzcitbclastbarkeit ist verbessert wegen der zusätzlichen Wärmekapazität und Abstrah- !img des Graphits. Die Wärmeabstrahlur.g kann wegen der verschiedenartigen Ausbildungsmöglichkeiten der Graphiteile und der Wärmeleitung durch das Metall auch diejenige von ganz aus Graphit bestehenden Tellern übertreffen.

Λ. Die Halterung des Tellers besteht aus Schwermetall, so daß man bei der Wahl der Graphitcigenschaftcn frei ist von Festmkeiiscrwägungen.

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 Enlgasbarkeit verbessert.

5, Die Graphitteile können an der von der Kathode abgewandten Seite der Anodcntellcr angebracht werden, so daß sich diese Teile außerhalb des direkten Hochspannungsfcldcs befinden, welches zwischen Anode und Kathode liegt.

In einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Anode aus rincm in bekannter Weise geformten Schwermctalltelle·; aus Molybdän, welchem 5 ⁰O Wolfram zulegicrt sind und der an der Brcnnfleckbahn eine Deckschicht aus Wolfram und 10¹Vo 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 Ar-

s beitsaufwand 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-

körper eingelötet, welche die Bohrungen weitestgehend ausfüllen und mit der Tellerflächc abschneiden bzw. je nach den räumlichen Verhältnissen bis zu etwa 25 mm oder mehr über die Telleroberfläche herausragen. Der herausstehende Teil kann auch an-

dere als die Bohrungsform haben und kann etwa kegelförmig sein. Auch Abstufungen der Länge der herausstehenden Teile, z. B. am Tellerrand kürzer als im Zentrum, können die Abstrahlung fördern und aus geometrischen Gründen nützlich oder erforderst lieh sein.

Als Lot eignen sich ver ..hiedene hochschmelzendc Metalle oder Mischungen ars diesen, vorzugsweise eine Zirkon-Molybdän-Legierung bzw. ein Zirkon-Wolfram-Eutektikum. Gute Lötungen lassen sich aber auch erhalten mit einem Eutektikum von Mo-.ybdän und Molybdän-Karbid. Die Leitung kann in bekannter Weise dadurch bewerkstelligt werden, daß ein Pulvergemisch, welches der angestrebten Zusammensetzung entspricht, dein einzulötenden Teil bei-

gegeben wird und dann die Erhitzung erfolgt. Bei der Verwendung eines Molybdänkörpers kann eine Molybdän-Molybdänkurbid-Eutektikumslötung auch ohne besonderes Lötmittel erhalten werden. Man braucht nur die Graphitleile in die gewünschte Lage

zu bringen und dann auf ca. 2200 C zu erhitzen. Bei dieser Temperu'ur erfolgt in den Berährungsgebieten die Bildung des verlötenden Ei'tektikums.

Beim Betrieb einer Röntgenröhre treten hohe Anodentemperaturen und große Temperaturunter-

schiede in der Anode auf. Selbst wenn das Schwermetall ut.'d der verwendete Graphit gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hätten, was aber für den großen Temperaturbereich von etwa 0 bis 2500 C nie der FuIi ist, treten wegen der unterschiedliclu'ii Temperaturen in der Anode thermische Spannungen auf. Dadurch sind Lötverbindungen /wischen 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 tier Erfindung werden auch diese Schwierigkeiten beseitigt. Die Fixierung des Graphitteils erfolgt z. B. im Molybdän bei der Erstarrir.igstemperatur des verwendeten Lotes. Wegen Jes gegenüber Graphit größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Molybdäns werden Graphitleile bei weiterer Abkühlung unier Druck festgehalten (Schrumpl'vorgang). Da die Leitfläche sich entfernt vom F.ntstelninpsort der Wärme der Brcnnfleckbahn befindet, wird im Betrieb die Schmelztemperatur des Lotes nicht erreicht. Somit treten keine Schub- und Zugspannungen an d< r Lölfläche auf, sondern nur Druckspannungen, so daß die Festigkeit der Verbindung sehr l^rroß ist. Das Lot verbessert darüber hinaus den Wärmekontakt und damit den Wärmeübergang vom Schwermetall 7.11m Graphii.

Bei geeigneter Zusammensetzung wird auch eine Diffusion von Kohlenstoff ins Schwermetall vcrhin-

dert. Ein in dieser Beziehung brauchbares Lot ir.t die mittels einer Schraube 10 festgehalten ist. Die

etwa Zirkonkarbid, Tantalkarbid oder Hafnium- Anode 9 besteht aus einem Metallkörper 11 aus einer

karbid. Bei Verwendung von Zr oder Hf bildet sich Molybdän und 5" ο Wolfram enthaltenden Legierung,

die diffusionshemmende Schicht an der Bcrührungs- Zwei Brcnnfleckbahncn 12 und 13, die gegenüber

fläche mit dem Graphit während eines Erhitzungs- s der Senkrechten auf der Achse 8 verschiedene Nei-

vorganges, etwa der Verlötung, von selbst aus. gungcn nach unten aufweisen, liegen auf einer Be-

Ohne die Bohrung einer Vielzahl von Löchern legung 14 aus einer Wolfram und 10"/« Rhenium entkommt man aus. wenn konzentrisch um die Dreh- haltenden Legierung, die 1 mm stark ist.
achse herum an der Unterseite des Mrtalltcllcrs An der Unterseite des 10 mm dicken Mctallkör-Nutcn eingedreht und diese mit passenden Graphit- io pers Il sind 5 mm tiefe Bohrungen von 10 mm ringen gefüllt werden. Zur Verbesserung der Lötvcr- Durchmesser eingebracht, in welche Graphitteile 15 bindung können diese Ringe radial unterteilt sein. eingelötet sind. Lötmittel ist das Eutcktikum. wel-Eine Ausführung mit radialen Kühlrippen wird er- chcs aus Molybdän und Zirkonium erhalten wird, halten, indem streifcnförmige Graphitteile mit ihren Die eigentliche Lötung 16 ist in der Zeichnung durch Schmalseiten an der Unterseite des Tellers in radia- 15 eine verdickte Ausführung der Begrenzung der BoIiler Richtung angebracht und unter Umständen noch rungen angedeutet,
unterteilt werden. Die Erzeugung von Röntgenstrahlen erfolgt in be-

Bei Auswahl hinreichend angeglichener thcrmi- kanntcr Weise dadurch, daß zwischen einer der Lci-

schcr Ausdchnungseigcnschaflcn kann an der Unter- Hingen 17, 18 und 19 und dem Anodenstiel 20 Hoch-

scitc auch eine etwa I bis IO mm dicke Graphitplatte 20 spanung und zwischen einer der Leitungen 17 und 18

angelötet werden, welche die gesamte Fläche des Tc!- und der Leitung 19 eine Heizspannung für die in dem

lers abdeckt. Die Zuverlässigkeil der Lötverbindung Ansatz 6 befindlichen Glühkathoden antjeschlosscn

bei thermischer Wcchselbeanspruchung wird dadurch wird. Von der Glühkathode ausgehend prallen dann

erhöht, daß die Graphitplattc mit radialen und/oder auf eine oder beide der Brcnnflcckbahnen 12 und 13

konzentrischen Einschnitten versehen wird. Auch die 35 Elektronen auf und lösen Röntgenstrahlen aus. Bc-

Oberflächc vergrößernde Strukturicrungen. wie z. B. kanntlich entsteht dabei als Nebenprodukt sehr viel

Rillen, können eingebracht werden. Bei Röhren, bei Wkrmc. Diese wird dann im Metallkörper 11 abgc-

dencn an der der Kathode zugewandten Oberfläche leitet, in den Graphitteilen 15 gespeichert und dann

nur geringfügige Mengen von Streuelektronen auf- abgestrahlt.

treffen und die nicht bei sehr hohen Spannungen bc- 30 In der Fig. 2 ist ein aus Molybdän bestehender

trieben werden müssen, können zusätzlich die oberen Teller 21 am der Unterseite mit ringförmigen konzen-

Teilc der Anoden zur weiteren Erhöhung der Wärme- trisch zur Drehachse liegenden Nuten versehen, in

abstrahlung mit Graphitteilcn versehen werden. welchen Graphitringe 22, 23 und 24 eingelötet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in Auch bei dieser Ausführung kann genauso wie nach

den Figuren dargestellten Ausführungsbcispielc er- 35 Fig. 1 die Wärmeabstrahlung über die Graphitteile

läutert. In der 22 bis 24 erfolgen. In Weiterbildung dieser Ausfüh-

Fig. 1 ist das Schaubild einer Röhre dargestellt, rung ist gemäß Fig. 3 ein aus Molybdän bcstehen-

dcrcn Anode aufgebrochen ist, um die an ihrer Un- der Anodcntellcr 25 mit ringförmigen Nuten 26, T)

tcrseitc in Bohrungen eingelöteten Graphitteile sieht- und 28 versehen, in welche scktorförmige Teile von

bar zu machen, in der 40 Graphitringen so eingefügt sind, daß radiale Untcr-

Fig. 2 der Schnitt durch eine Anode, deren Un- brcchungen erhalten werden, die in den einzelnen

tcrseite in konzentrischen Nuten Graphitringe ent- Ringen so liegen, daß sie gegeneinander auf Lücke

hält, in der stehen. Die Graphitteile der äußeren Nut 26 sind da-

Fig. 3 eine Anode, bei welcher die t¹ Fig. 2 dar- bei mit 29. diejenigen der mittleren Nut 27 mit 30

gestellten Ringe radiale Unterbrechungen aufweisen, 45 und diejenigen der inneren Nut mit 31 bezeichnet

in der Die Verlötung geschieht durch Erhitzen auf ca

Fig. 4 die Unterseite einer Anode, an welcher 2200 C. Zwischen die Ringstückc wird zusätzlich

strcifenförmige Kühlrippen aus Graphit radial ange- eine Mischung aus Molybdän- und Moiybdänkarbid-

bracht sind. Pulver eingebracht.

In der Fig. 1 ist ein gläserner Kolben 1 einer 50 In der Fig. 4 ist eine Drehanode dargestellt, derer

Drehanoden-Röntgenröhre 2 gezeigt. Im Kolben 1 Teuer 32 10 mm dick ist. An der Unterseite des Tel

ist an einem Ende eine Kathode 3 und am anderen lcrs S2 sind streifcnförmige Graphitteile 33 als radialt

Ende eine Anode 4 angebracht. Die Kathode besieht Kühlrippen angebracht. Zu diesem Zweck sind ent-

aus der Umhüllung 5. welche in einem Ansatz 6 die sprechende radiale 3 bis 5 mm tiefe Nuten einge

eigentliche, hier nicht sichtbare Glühkathode in be- 55 fräst, so ctoß die 10 mm breiten Graphitteile 33 ein

kannter Aus'ührung enthält. Die Anode 4 umfaßt gelötet werden können und noch 10 bis 20 mm wci

in ebenfalls bekannter Weise einen Rotor 7, der an herausragen. Auch bei dieser Ausführung ergibt siel·

seiner Achse 8 die eigentliche Verbundanode 9 trägt, gute Wärmespei "her- und -abstrahlfähigkeit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Röntgenröhren-Drehanode mit einem in seinem Zentrum an der Achse der Drehanode befestigten Verbundkörper aus einem seheihenförmigen SchwermetaUteil und wenigstens einem Graphitteil, wobei die Brennfleckbahn auf dem Schwermetallteil liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwermetallteil (11, 21, 25, 32, 34, 37) in seinem Zentrum an der Achse befestigt ist und der oder die Graphitteil(e) (IS, 22 bis 24, 29 bis 31, 33, 35, 38) an ihm angebracht ist bzw. sind.

2. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Graphitteil(e) an der der Brennfleckbahn abgewand ten Seite des Schwermetallteüs liegen.

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

4. Röntgenröhren-Drebanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitteile als Stöpsel (15) ausgebildet sind, die in Bohrungen an der der Brennl leckbahn abgevvandten Seite des Schwermetallteils (II) angebracht sind.

5. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen an ihren Enden aogerundet sind (Fig. 1).

6. Röntgcnröhren-Drchanodc nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite des Schsvcrmetallteils (21) kom_ ntrisch zur Drehachse Ringnuten angebracht sind, in welche Graphitteilc (22 bis 24; 29 bis 31) eingesetzt sind (Fig. 2 und 3).

7. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphilteile als Ringe (22 bis 24) ausgebildet sind (Fig. 2).

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

'). Röntgenröhren-Drehanodc nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der der Brennfleckbahn abgevvandten Seite des Schwcrmetallteils (32) radiale Graphitstreifen (33) als Kühlrippen eingelötet sind.

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

11. Röntgenröhren-Drehanodc nach Anspruch K). dadurch gekennzeichnet, daß die GraphiUeile konzentrische und oder radiale Einschnitte aufweisen.

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

13. Röntgenröhren-Drehanodc nach An spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lot schicht (16, 36) aus dem Eutektikum von Zirkon und Wolfram besteht.

14. Röntgenröhren-Drehanodc nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot aus einer 70°/₀ Zirkon und 30°/n Molybdän enthaltenden Legierung besteht.

15. Röntgenröhren-Drehanode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot aus dem Eutektikum von Molybdän und Molybdänkarbid besteht.

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

17. Verfahren zum Anbringen der Graphitteile einer Drehanode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitteile an die gewünschten Stellen 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 Graphitflachen zuvor mit einer Schicht aus Zirkonkarbid, Tantalkarbid oder Hafniumkarbid bedeckt werden.