DE19524273A1

DE19524273A1 - Unter Verwendung eines Diffusionsförderers verbesserte Verbindung zwischen Target und Fuß für Anodenbaueinheiten für Röntgenröhren

Info

Publication number: DE19524273A1
Application number: DE19524273A
Authority: DE
Inventors: Michael Robert Eggleston; Melvin Robert Jackson; Mark Gilbert Benz
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1994-07-08
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 1996-01-11
Also published as: US5530733A; AT403630B; ATA101595A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ausrü stung für diagnostische und therapeutische Radiologie und mehr im besonderen auf Targets hoher Leistungsfähigkeit, die in Röntgenstrahlen erzeugender Ausrüstung, wie Scannern für computerisierte Axialtomographie (C.A.T.), benutzt wer den. Mehr im besonderen ist die Erfindung auf Drehanoden- Strukturen hoher Leistungsfähigkeit für Röntgenröhren ge richtet, die eine Metall-Metall-Verbindung zwischen dem Target und dem Fuß aufweisen sowie auf Verfahren zu deren Herstellung. Besonders bezieht sie sich auf das Verbinden einer Molybdänlegierungs-Scheibe mit einem Anodenfuß aus Nioblegierung, bei dem ein die Diffusion fördernder Überzug auf entweder dem Einsatz aus Tantallegierung oder dem Fuß aus Nioblegierung oder auf beiden benutzt wird.

Die Leistungsfähigkeit eine Röntgenröhre kann durch das Gleichgewicht bzw. die Auswuchtung der Anodenbaueinheit beeinflußt werden. Spezifisch ist es während der Herstel lung der Röntgenröhre wichtig, daß man die Anodenbaueinheit ausbalanciert bzw. auswuchtet und sie während des übrigen Herstellungszyklus und während des Betriebes der Röntgen röhre in diesem ausbalancierten bzw. ausgewuchteten Zustand hält. Da die Größe von Röntgenröhren-Targets bis auf etwa 17,5 cm (6 1/2′′) und darüber hinaus vergrößert worden ist, hat es sich als schwierig erwiesen, dieses Gleichgewicht beizubehalten, so daß verringerte Herstellungsausbeuten und verkürzte Betriebszeiten die Folge waren. Die Auswertung von beim Kunden beschädigten Röntgenröhren hat gezeigt, daß das mangelnde Gleichgewicht der Anodenbaueinheit im Bereich der Befestigung des Targets am Fuß oder Schaft aufgetreten ist.

Bei der Herstellung neuer und verbesserter Targets für die Anwendung bei Röntgen-Drehanoden ist es nicht nur er forderlich, daß die Verbindung zwischen Target und Fuß eine rigorosere Umgebung in der Röntgenröhre überlebt, sondern sie muß auch in der Lage sein, rigorosere Herstellungsver fahren, wie das Glühen bei Temperaturen bis zu etwa 1.500°C im Vakuum, zu überstehen. Dies erfordert, daß die verbes serte Verbindung die folgenden Vorteile aufweist:

1. Die Verbindungstemperatur muß gering genug sein, um nicht die Eigenschaften der TZM-Legierung zu beeinträchti gen, die bei etwa 2.000°C deutlich an Festigkeit verlieren kann.
2. Nach dem Verbinden muß die Verbindung eine genügen de Festigkeit bei hoher Temperatur aufweisen, um die Ver bindung während der zusätzlichen Herstellungsstufen, wie eines Glühens im Vakuum bis etwa 1.500°C, aufrecht zu er halten.
3. Die Verbindung sollte stark sein und nicht durch thermische Ausschläge während des normalen Röntgenröhren betriebes bis zu 1.500°C für ausgedehnte Zeitdauern beein trächtigt werden.

Für einen speziellen Satz von Verbindungsmetallen, wie beim Diffusionsverbinden, muß dieser, um unter den obigen Parametern wirksam zu sein, gewisse inhärente Eigenschaften aufweisen. Die erste wäre, daß die Metalle keine eutekti sche oder peritektische Reaktion mit der TZM-Targetschicht eingehen. Schließlich sollten die eingesetzten Verbindungs metalle, wie beim Diffusionsverbinden, nur eine einfache, binäre, feste Lösung mit dem Molybdän in der TZM-Legierung bilden.

Eine Grundregel beim Verbinden verschiedener Materia lien ist, daß zum Auftreten einer Verbindung ein gewisses Vermischen der Elemente zwischen den beiden Materialien stattfinden muß. Damit eine solche Verbindung genügende Fe stigkeit aufweist, sollte die Abstufung der Vermischung et wa gleich der eines binären Diffusionspaares sein, bei dem die beiden Materialien in gleichen Portionen ineinander diffundieren.

Konventionelle Fuß/Schaft-Verbindungen stehen in dem Ausmaß, in dem sie in konventionellen Röntgen-Abbildungssy stemen lebensfähig sind, einem sehr viel strengeren Test in Verbindung mit Graphitteilen in Röntgenröhren gegenüber, die in medizinischen C.A.T.-Scannern benutzt werden. Für die Herstellung von Bildern braucht ein medizinischer C.A.T.-Scanner typischerweise einen Röntgenstrahl von etwa 2 bis 8 Sekunden Dauer. Solche Bestrahlungszeiten sind sehr viel länger als die Bestrahlungszeiten von Bruchteilen ei ner Sekunde, die für konventionelle Röntgen-Abbildungssy steme typisch sind. Als Ergebnis dieser verlängerten Be strahlungszeiten muß eine sehr viel größere Wärmemenge (die als Nebenprodukt des Verfahrens der Röntgenstrahl-Erzeugung im Targetbereich entsteht) gespeichert und schließlich durch die Drehanode abgegeben werden.

Kürzlich erreichte das Problem im Zusammenhang mit dem Versagen der Anodenbaueinheit aufgrund eines mangelnden Gleichgewichtes einen kritischen Punkt. Aufgrund der unge heuren Spannungen, die auf die einen größeren Durchmesser aufweisenden Röntgenröhren während kontinuierlichen Betrie bes wirken, betrug die mittlere Lebenszeit der Röhre etwa 30.000 Scan-Sekunden unter Verwendung der konventionellen mechanischen Verbindung mit mit Gewinde versehenem Fuß und Belleville-Scheibe. Da etwa 20% der Fehler in Bezug zu ei nem mangelnden Gleichgewicht der Anodenbaueinheit standen, wurde die Notwendigkeit einer verbesserten Anodenbaueinheit mit einer dauerhafteren Verbindung zwischen Target und Fuß, die das mangelnde Gleichgewicht bzw. die mangelnde Auswuch tung beseitigt, während sie die Wirksamkeit des Targets aufrechterhält, deutlich. Eine solche Anodenbaueinheit wür de erwünschtermaßen ein genügendes Gleichgewicht während der Betriebslebensdauer des Targets schaffen, während sie Gleichgewichtsprobleme der Anodenbaueinheit deutlich ver ringert, wenn nicht vollständig beseitigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine verbesserte Röntgen-Anodenbaueinheit zum Einsatz in Röntgenröhren geschaffen, wie sie in diagno stischen und therapeutischen Radiologie-Vorrichtungen, zum Beispiel Computertomographie (CT)-Scannern, benutzt werden. Veranschaulichte Ausführungsformen der hier offenbarten Er findung haben die Form eines Röntgensystems mit einer Rönt genröhre, die die verbesserte Anodenbaueinheit einschließt, die einen die Diffusion fördernden Überzug auf entweder dem Einsatz oder dem Fuß oder auf beiden aufweist.

Jede Röntgenröhre ist normalerweise in einem ölgefüll ten Schutzgehäuse eingeschlossen. Ein Glaskolben enthält eine Kathodenplatte, eine rotierende Targetscheibe und ei nen Rotor, der Teil einer Motorbaueinheit ist, die das Tar get dreht. Ein Stator ist außerhalb der Röhre, benachbart dem Rotor, vorhanden und überlappt sich damit über etwa 2/3 der Rotorlänge. Der Glaskolben ist in einem ölgefüllten Bleigehäuse mit einem Fenster zum Austreten der erzeugten Röntgenstrahlen aus der Röhre eingeschlossen. Das Gehäuse kann in einigen Röntgenröhren ein Ausdehnungsgefäß, wie einen Balg, einschließen.

Röntgenstrahlen werden erzeugt, wenn in einem Vakuum Elektronen freigesetzt, beschleunigt und dann abrupt abge bremst werden. Dies findet in einer Röntgenröhre statt. Um Elektronen freizusetzen, wird der Glühfaden in der Röhre durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes bis zum Glühen (Weißglut) erhitzt. Die Elektronen werden durch eine hohe Spannung (die im Bereich von etwa 10.000 bis mehr als 100.000 Volt liegt) zwischen der Anode (positiv) und der Kathode (negativ) beschleunigt, und sie treffen auf die Anode auf, wodurch sie abrupt verlangsamt werden. Die Ano de, die üblicherweise als Target bezeichnet wird, ist häu fig von der Art einer rotierenden Scheibe, so daß der Elek tronenstrahl immer einen anderen Punkt auf dem Anodenumfang trifft. Die Röntgenröhre selbst ist aus Glas hergestellt, aber in einem Schutzgehäuse eingeschlossen, das mit Öl ge füllt ist, um die erzeugte Wärme zu absorbieren. Hochspan nungen zum Betreiben der Röhre werden durch einen Wandler bzw. Transformator geliefert. Der Wechselstrom wird durch Gleichrichterröhren (oder "Ventile"), in einigen Fällen mittels Sperrschicht-Gleichrichtern, gleichgerichtet.

Für therapeutische Zwecke - zum Beispiel die Behand lung von Tumoren usw. - werden die benutzten Röntgenstrah len in einigen Fällen bei sehr viel höheren Spannungen (über 4.000.000 Volt) erzeugt. Es werden auch die durch Radium und künstliche radioaktive Materialien emittierten Strahlen sowie Elektronen, Neutronen und andere Teilchen hoher Geschwindigkeit (die zum Beispiel durch ein Betatron erzeugt werden) in der Strahlungstherapie benutzt.

In einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Röntgenröhre: einen Glaskolben, eine betriebsmäßig im Glaskolben angeordnete Kathode, eine einen Rotor, einen Stator, der betriebsmäßig mit Bezug auf den Rotor angeordnet ist, und ein Target, das betriebsmäßig mit Bezug auf die Kathode angeordnet und betriebsmäßig durch Metall-Metall-Diffusionsverbindung zwischen dem Target und einem Metalleinsatz und Metall-Metall-Verbindung des Ein satzes mit einem Fuß mit dem Rotor verbunden ist, ein schließende Anodenbaueinheit, wobei ein die Diffusion fördernder Überzug auf dem Einsatz oder dem Fuß oder auf beiden benutzt wird.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einer Röntgenröhre verkörpert, die eine derartige Verbin dung zwischen Fuß und Target aufweist, daß mindestens 40.000 Röntgenscan-Sekunden bewerkstelligt werden, bevor ein Röhrenversagen aufgrund eines mangelnden Gleichgewich tes des Rotors auftritt.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einem Röntgensystem verkörpert, umfassend: eine Umhüllung mit darin enthaltenem Öl, eine Ölpumpe, die betriebsmäßig mit Bezug auf die Umhüllung angeordnet ist, um das Öl in nerhalb des Systems zirkulieren zu lassen, mindestens eine Kühleinrichtung, die betriebsmäßig mit der Umhüllung und der Ölpumpe verbunden ist, um das Öl zu kühlen, eine Rönt genröhre, die betriebsmäßig innerhalb der Umhüllung ange ordnet ist, um die Röntgenstrahlen zu erzeugen, wobei die Röntgenröhre umfaßt: einen Glaskolben, eine Kathode, die betriebsmäßig innerhalb des Glaskolbens angeordnet ist, und eine Anodenbaueinheit, die einen Rotor, einen Stator, der betriebsmäßig mit Bezug auf den Rotor angeordnet ist, und ein Target einschließt, das betriebsmäßig mit Bezug auf die Kathode angeordnet und betriebsmäßig durch eine Metall-Me tall-Diffusionsverbindung zwischen dem Target und einem Me talleinsatz und eine Metall-Metall-Verbindung zwischen dem Einsatz und einem Fuß, mit dem Fuß verbunden ist, wobei ein die Diffusion fördernder Überzug auf dem Einsatz oder dem Fuß oder auf beiden benutzt wird.

Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in einem Röntgensystem verkörpert, das eine derartige Verbin dung zwischen Fuß und Target aufweist, daß vor einem Versa gen der Röhre, aufgrund mangelnden Gleichgewichtes der Ano denbaueinheit, mindestens etwa 40.000 Röntgenscan-Sekunden bewerkstelligt werden.

In einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Target durch Diffusionsverbinden mit dem Fuß aus Nioblegierung verbunden.

In einer anderen spezifischen Ausführungsform der vor liegenden Erfindung ist das Target durch Diffusionsverbin den mit dem Fuß aus Nioblegierung unter Einsatz einer Tan tal-Bindelegierung verbunden.

Kurz gesagt, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Röntgensystem geschaffen, das eine Röntgen röhre aufweist, die ein metallisches Target und einen Fuß einschließt, die miteinander verbunden sind, um ein Ver bund-Drehtarget zu ergeben. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Einsatz einer Legierung auf Tantalbasis während der Herstellung des Targets zusammen mit dem metallischen Target hergestellt. Das Verarbeiten erzeugt eine Diffusionsverbindung zwischen dem Einsatz und dem Fuß. Es ist erwünscht, daß der Einsatz eine Pulverle gierung ist, die mit den Verarbeitungsstufen, die bei der Herstellung des Targets benutzt werden, wie Pulverherstel lung, Pressen im Werkzeug, Sintern, Schmieden, Glühen und Überziehen oder Hartlöten an ein Graphit-Rückteil, verträg lich ist. Ein solches Material sollte eine geringe Korn größe, hohe Festigkeit und gute Duktilität während dieser Kombination von Verfahrensstufen aufrechterhalten, wie zum Beispiel Tantal. Das Einsatzmaterial könnte auch aus der Gruppe ausgewählt werden, die umfaßt: Ta-10W (Ta, 10W); T-111 (Ta, 8W, 2Hf); T-222 (Ta, 9,6W, 2,4Hf, 0,01C); ASTAR- 811C (Ta, 8W, 1Re, 1Hf, 0,025C); GE-473 (Ta, 7W, 3Re); Ta-2,5W (Ta, 2,5W) und Ta-130 (Ta mit 50-200 ppm Y). Der Fuß oder Bolzen wird aus einer Legierung auf Niobbasis her gestellt, um Nutzen zu ziehen aus der Kombination hoher Fe stigkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Niob. Das Fußmaterial könnte auch ausgewählt werden aus ei ner Gruppe, umfassend: CB-752 (Nb, 10W, 2,5Zr); C129Y (Nb, 10W, 10Hf, 0,1Y); FS-85 (Nb, 28Ta, 11W, 0,8Zr) und C103 (Nb, 10Hf, 1Ti, 0,7Zr). C103 ist bevorzugt.

In einer möglichen Kombination sind der Fuß und der Einsatz leicht abgeschrägt, so daß genügend Kontaktdruck zwischen beiden vorhanden ist, um das Diffusionsverbinden dazwischen zu erleichtern. Dieser Druck wird vorzugsweise durch Druckeinpassen des Fußes in das Target geschaffen. Das Diffusionsverbinden zwischen dem Fuß und dem Target über den Einsatz wird vorzugsweise durch Vakuumglühen für eine genügende Zeit (etwa 3 Stunden), bei einer genügenden Temperatur (vorzugsweise höher als 1.150°C) und bei einem genügenden Kontaktdruck (vorzugsweise mehr als etwa 69 N/mm² (10.000 psi)) bewerkstelligt.

Es ist demgemäß eine Aufgabe der vorliegenden Erfin dung, ein Röntgensystem zu schaffen, das eine verbesserte Röntgenröhre mit einer größeren Scan-Lebensdauer ein schließt.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Röntgenröhre zu schaffen, die eine Scan- Lebensdauer von mindestens 40.000 Scan-Sekunden hat.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Röntgenröhre zu schaffen, die eine verbesserte Anodenbaueinheit aufweist, die ein richtiges Gleichgewicht während der Lebensdauer der Röhre aufrechterhält.

Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Metall-Metall-Verbindung zwischen dem Target und dem Fuß zu schaffen, die ein Ungleichgewicht der Ano denbaueinheit für mindestens 40.000 Scan-Sekunden verhin dert.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Target-Fuß-Befestigungskonfiguration mit weniger Teilen.

Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, der beigefügten Zeichnung und den Ansprüchen deutlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1a ist eine Draufsicht eines repräsentativen Röntgensystems;

Fig. 1b ist eine Schnittansicht des Röntgensystems der Fig. 1a unter Weglassung von Teilen;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines ande ren repräsentativen Röntgensystems mit einer darin angeord neten Röntgenröhre;

Fig. 3 ist eine perspektivische Teilansicht einer re präsentativen Röntgenröhre, aus der Teile weggelassen wur den, Teile im Schnitt gezeigt sind und Teile weggebrochen sind, und

Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Verbindung eines Röntgenröhrentargets mit dem Fuß gemäß der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Ein repräsentatives Röntgensystem, das die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform verkörpert, ist in den Fig. 1a, 1b und 2 veranschaulicht und allgemein mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet. Wie ersichtlich, umfaßt das Sy stem 20 eine Ölpumpe 22, ein Anodenende 24, ein Kathoden ende 26, einen Mittelabschnitt 28, der zwischen dem Anoden ende und dem Kathodenende angeordnet ist und die Röntgen röhre 30 enthält. Ein Strahlungskörper 32 zum Kühlen des Öls ist auf einer Seite des Mittelabschnittes angeordnet, und er kann Gebläse 34 und 36 aufweisen, die betriebsmäßig mit dem Strahlungskörper 32 verbunden sind, um eine kühlen de Luftströmung über dem Strahlungskörper zu schaffen, wäh rend durch ihn heißes Öl zirkuliert. Die Ölpumpe 22 sorgt für den Umlauf des heißen Öles durch das System 20 und durch den Strahlungskörper 32 usw. Wie in Fig. 1b gezeigt, sind elektrische Verbindungen in der Anodenfassung 42 und der Kathodenfassung 44 vorhanden.

Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt das Röntgensystem 20 ein Gehäuse 52, das vorzugsweise aus Aluminium hergestellt und mit Blei ausgekleidet ist, sowie eine Kathodenplatte 54, eine rotierende Targetscheibe 56 und einen Rotor 58, eingeschlossen in einem Glaskolben 60. Ein Stator 43 ist außerhalb des Glaskolbens 60 und innerhalb des mit Blei ausgekleideten Gehäuses 52 mit Bezug auf den Rotor 58 ange ordnet. Das Gehäuse 52 ist mit Öl zum Kühlen und zur Isola tion der hohen Spannung, wie oben erläutert, gefüllt. Ein Fenster 64 zum Emittieren von Röntgenstrahlen ist betriebs mäßig im Gehäuse 52 ausgebildet und befindet sich relativ zur Targetscheibe 56, um erzeugten Röntgenstrahlen das Aus treten aus dem Röntgensystem 20 zu gestatten.

In Fig. 3 ist die Kathode 54 innerhalb des Glaskol bens 60 angeordnet gezeigt. Wie bekannt, ist innerhalb des Glaskolbens ein Vakuum von etwa 133 × 10^-5 bis etwa 133 × 10^-9 Pa (10^-5 bis 10^-9 Torr). Die Elektrizität erzeugt Elektronen, die vom Kathoden-Glühfaden 68 zum Anodentarget oder der Oberfläche der Targetscheibe 56 gelenkt werden. Die Targetscheibe ist konventionellerweise an einem Ende mit einer Belleville-Mutter 63 und am anderen Ende mit einer anderen Mutter 64 an einem rotierenden Schaft 61 be festigt. Ein vorderes Lager 66 und ein rückwärtiges Lager 68 sind betriebsmäßig auf dem Schaft bzw. der Welle 61 an geordnet, und sie werden in einer konventionellen Weise an Ort und Stelle gehalten. Die Lager 66 und 68 sind üblicher weise geschmiert, und sie sind empfindlich für ein Versagen bei hohen Betriebstemperaturen.

Um die Welle 61 zwischen den Lagern 66, 68 ist eine Vorbelastungs-Feder 70 angeordnet, um während der Ausdeh nung und des Zusammenziehens der Anodenbaueinheit eine Be lastung auf die Lager aufrechtzuerhalten. Ein Rotorbolzen 72 wird benutzt, um das Ende des Rotors, das dem Target 56 am nächsten liegt, von der Rotornabe 74 im Abstand zu hal ten. Die Lager, sowohl das vordere 66 als auch das rückwär tige 68, werden durch Lagerhalter 78 bzw. 80 an Ort und Stelle gehalten. Die Rotorbaueinheit schließt auch einen Fußring und einen Fuß ein, die die Rotation des Rotors 58 mit dem Target 56 unterstützen.

Die Temperatur im Bereich des Glühfadens 68 kann bis zu etwa 2.500°C hoch sein. Andere Temperaturen schließen etwa 1.100°C nahe dem Zentrum des rotierenden Targets 56 ein, das mit etwa 10.000 U/min rotiert. Temperaturen des Brennfleckes auf dem Target 56 können sich 3.200°C nähern, und Temperaturen an der Außenkante des rotierenden Targets 56 nähern sich etwa 1.300°C. Die Temperatur im Bereich der Rotornabe 74 nähert sich 700°C und die des vorderen Lagers nähert sich maximal 450°C. Bewegt man sich vom Target 56 zum Rotor 58 und Stator 43, dann nimmt die Temperatur of fensichtlich ab.

Während des Betriebes einiger Röntgensysteme mit Tar gets größeren Durchmessers haben Verwender mit stark bean spruchendem Protokoll bzw. Behandlungsplan die Verwendung des Systems maximiert, indem möglichst viele Abtastungen bzw. Scans bei Spitzenleistung in möglichst kurzer Zeit durchgeführt werden. Eines der Probleme bei der Verwendung eines Röntgensystems in dieser kontinuierlichen Betriebsart ist die Menge der erzeugten Wärme, die tatsächlich die La ger 66, 68 und insbesondere das vordere Lager 66 zerstören kann.

Läßt man das Röntgentarget 56 und den Rotor 58 zwi schen Abtastungen kontinuierlich mit 10.000 U/min rotieren, dann würden die Lager vorzeitig verschleißen und ein Versa gen der Röhre verursachen. Wenn daher mehr als 60 Sekunden zwischen Abtastungen auftreten, ist die das Röntgensystem betreibende Software so programmiert, daß sie den Rotor durch schnelles Verlangsamen bis auf 0 U/min abbremst. Wenn eine Abtastung beginnen soll, dann ist die Software zur Kontrolle des Systems so programmiert, daß sie das Target und den Rotor so schnell wie möglich wieder auf 10.000 U/min bringt. Diese raschen Beschleunigungen und Abbremsun gen werden benutzt, weil es, neben anderen Gründen, eine Anzahl von Resonanzfrequenzen gibt, die während der Be schleunigung von 0 auf 10.000 U/min und dem Abbremsen von 10.000 auf 0 U/min vermieden werden müssen. Um durch diese Resonanzfrequenzen sowohl unmittelbar vor einer Abtastung oder einer Reihe von Abtastungen und nach einer Abtastung oder einer Reihe von Abtastungen so rasch wie möglich hin durchzukommen, wendet das Röntgensystem eine maximale Lei stung an, um das Target oder die Anode in der geringst mög lichen Zeit auf 10.000 U/min oder herunter auf 0 U/min zu bringen.

Es ist zu bemerken, daß das Röntgentarget und der Ro tor von 0 U/min in etwa 12 bis etwa 15 Sekunden auf 10.000 U/min beschleunigt und in etwa der gleichen Rate verlang samt werden können. Die Vibration aufgrund von Resonanzfre quenzen ist ein Problem, wenn man die Röhre sich bis zu ei nem Halt drehen läßt, ohne zu bremsen.

Es wurde festgestellt, daß während dieser schnellen Beschleunigungen auf 10.000 U/min und dem sofortigen Abbrem sen von 10.000 U/min auf 0 Spannungen, mechanische als auch thermische, auf den Rotor 58 und die Verbindung zwischen Target und Fuß einwirken. Diese Spannungen können zum Un gleichgewicht der Anodenbaueinheit beitragen, von dem ange nommen wird, daß es das vorzeitige Versagen von etwa 20% der kürzlichen Fehler von GE-Röntgenröhren verursacht hat.

Es wurde festgestellt, daß diese Probleme des Ungleichge wichtes am wahrscheinlichsten durch Veränderungen verur sacht werden, die im Bereich der Befestigung des Targets 56 und des Fußes 84 auftreten.

In Fig. 4 ist eine repräsentative Kombination aus Target und Fuß dargestellt, die die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform verkörpert, und die allgemein durch die Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Die Kombination 100 aus Target und Fuß umfaßt das Target 102, das vorzugsweise aus Molybdänlegierung TZM hergestellt ist, und eine Brennspur 104, die betriebsmäßig durch konventio nelle, metallurgische Mittel mit dem Target verbunden ist, um die durch die Kathode 68 erzeugten Röntgenstrahlen durch das (in Fig. 2 gezeigte) Fenster 64 zu reflektieren. Ein Einsatz 106 zum Diffusionsverbinden mit dem Fuß 108 wird während der Herstellung des Targets 102 gleichzeitig herge stellt. Das Target ist vorzugsweise eine Pulvermetallurgie- Legierung, die vorzugsweise mit allen Verfahren, die für die Target-Herstellung benutzt werden, verträglich ist, einschließlich: Pulverherstellung, Werkzeugpressen, Sin tern, Schmieden, Glühen und Überziehen oder Hartlöten mit einem (nicht gezeigten) Graphit-Rückenteil. Die Einsatzle gierung sollte auch in der Lage sein, eine geringe Korngrö ße, hohe Festigkeit und gute Duktilität während der Kombi nation von Verfahrensstufen aufrechtzuerhalten, die während der Herstellung des Targets benutzt werden, das den Ein satz, betriebsmäßig mit dem inneren Abschnitt des Targets entlang der Naht 110 verbunden, einschließt. Ein solches Material ist Tantal. Der Einsatz könnte auch ausgewählt sein aus einer Gruppe von Materialien, umfassend: Ta-10W (Ta, 10W); T-111 (Ta, 8W, 2Hf); T-222 (Ta, 9,6W, 2,4Hf, 0,01C); ASTAR-811C (Ta, 8W, 1Re, 1Hf, 0,025C); GE-473 (Ta, 7W, 3Re); Ta-2,5W (Ta, 2,5W) und Ta-130 (Ta mit 50-200 ppm Y) oder andere Metalle, die die obigen Kriterien erfüllen, und die Verbindung zwischen dem Fuß und dem Target für min destens etwa 40.000 Scan-Sekunden aufrechterhalten können.

Ein Vorteil der Materialien, sowohl für den Fuß als auch den Einsatz, die oben erwähnt sind, ist, daß der Ko effizient der thermischen Ausdehnung des Fußmaterials grö ßer als der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Ein satzmaterials ist, der wiederum größer als der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Targetmaterials ist. Um ein wirksames Diffusionsverbinden zwischen allen drei Komponen ten zu erzielen, ist ein inniger Kontakt zwischen benach barten Komponenten bei der Temperatur zum Diffusionsverbin den erforderlich. Die oben erwähnten Unterschiede in den Koeffizienten der thermischen Ausdehnung bei den Temperatu ren des Diffusionsverbindens führen zu einem Kompressions druck zwischen den Komponenten (Fuß, Einsatz und Target), wodurch der erforderliche, innige Kontakt sichergestellt ist.

Der Fuß 108 ist vorzugsweise aus Niob und bevorzugter aus Niobbasislegierung hergestellt, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend: CB-752 (Nb, 10W, 2,5Zr); C129Y (Nb, 10W, 10Hf, 0,1Y); FS-85 (Nb, 28Ta, 11W, 0,8Zr) und C103 (Nb, 10Hf, 1Ti, 0,7Zr), von denen C103 am meisten bevorzugt ist, oder anderen Metallen, die die obigen Kriterien erfüllen und die Verbindung zwischen dem Fuß und dem Target für min destens etwa 40.000 Scan-Sekunden aufrechterhalten können, wenn sie, wie oben beschrieben, eingesetzt werden.

Das Fußende 112, das Kontakt mit dem Einsatz 106 her stellt, ist, wie der Einsatz 106, leicht abgeschrägt. Diese Abschrägung bzw. Verjüngung erleichtert das Druckeinsetzen des Fußes 108 in den Einsatz 106, so daß genügend Druck für die Diffusionsverbindung der beiden geschaffen wird. Der Fuß 108 kann einen Flansch 114 aufweisen, der sich eben falls durch Diffusion mit dem Einsatz 106 verbindet. Der Fuß kann auch ein hohles Inneres 116 aufweisen, um die Wär meleitung über den Fuß zum Rotor und den Lagern zu verrin gern.

Die Kombination aus Target und Fuß der vorliegenden Erfindung erfordert ein Überziehen des Einsatzes aus Tan tallegierung und/oder des Fußes. Der Begriff "Überzug" bzw. "Überziehen" wird in diesem Falle benutzt, um auf ein "ver brauchbares Hartlot" oder einen "Diffusionsförderer" Bezug zu nehmen. In diesem besonderen Falle bezieht er sich auf eine dünne Schicht zwischen den beiden in Kontakt stehenden Oberflächen (zum Beispiel einem Fuß, der beispielsweise aus C103 hergestellt ist und/oder einem Einsatz, der beispiels weise aus Ta-10W hergestellt ist), die die gegenseitige Diffusion zwischen den beiden Metallen fördert.

Werden die Oberflächen der Nb- und Ta-Legierung bei erhöhten Temperaturen in Berührung gebracht, dann findet eine wechselseitige Diffusion statt. Nb-Atome diffundieren in die Ta-Legierung und Ta-Atome diffundieren in die Nb-Le gierung. Sowohl in der Ta- und der Nb-Legierung vorhandene Elemente diffundieren jedoch schneller in Ti (als einem Beispiel) als in Ta oder Nb. Ist eine dünne Schicht aus Ti zwischen den in Kontakt stehenden Oberflächen angeordnet, dann diffundieren sowohl Ta- als auch Nb-Atome rasch in den Ti-Überzug und vermischen sich. Die Ti-Atome diffundieren gleichzeitig in die Metalle der Ta-Legierung und der Nb-Le gierung. Während das Ti wegdiffundiert, hinterläßt es einen Bereich vermischter Ta-, Ti- und Nb-Legierungen, was eine Diffusionsverbindung gegenüber dem fördert, was mit den beiden Legierungen allein bewerkstelligt werden könnte. Der Schlüssel zum Gebrauch des Überzuges ist, daß er dünn genug sein muß, so daß nach einer spezifischen Zeitdauer der größte Teil des Überzuges in die beiden Grundmetalle (zum Beispiel Nb- und/oder Ta-Legierungen) diffundiert ist. Auch muß die Diffusionsrate von Ta und Nb in der Überzugs schicht, zum Beispiel Ti, höher sein als in Nb bzw. Ta.

In einem spezifischen Experiment wurde ein Diffusions paar zwischen einer Nioblegierung (C103) und einer Tantal legierung (Ta-10W) geschaffen. Es wurde ein 1 µm dicker Überzug zwischen den in Kontakt stehenden Oberflächen der C103 und der Ta-10W angeordnet. Nach etwa 3 Stunden bei 1.400°C existierte keine Ti-reiche Region mehr. Wo der Ti- Überzug angeordnet worden war, existierte nun eine Region von Ta, Nb und Ti; während der Überzug zum Beispiel eine Dicke von 1 µm aufwies, existierte nach dem Diffusions-Ver binden keine Ti-reiche Region (d. h. größer 50% Ti), doch ist Ti in einer gewissen Menge über mehr als 10 µm von der ursprünglichen Grenzfläche vorhanden. Wurde ein Verbinden von C103 mit Ta-10W ohne Überzug bei 1.300°C für etwa 3 Stunden ausgeführt, stellte man fest, daß es weniger als 4 µm der gegenseitigen Diffusion gab. Verband man dagegen C103 mit Ta-10W unter Einsatz eines 1 µm dicken Ti-Überzu ges bei 1.300°C für etwa 3 Stunden, dann wurden etwa 10 µm der gegenseitigen Diffusion festgestellt.

Beispiele potentieller Überzugsmaterialien schließen ein: Titan, Niob-Titan-Legierungen, Aluminium und Titan- Vanadium-Zirkonium-Legierungen (Zirkonium bei weniger als 30 Atom-%).

Während die obige Liste der potentiellen Überzüge an gemessen erscheinen mag, sollte ein Überzugsmaterial für die schnelle Diffusion von Nb, Ta und Mo in das Überzugsma terial sorgen. Ein Überzugsmaterial sollte nach Kombination mit Nb, Ta und Mo bei den Bedingungen der Wärmebehandlung fest bleiben. Irgendwelche Elemente in dem Überzug sollten mindestens einen gewissen Grad der Löslichkeit in Nb-, Ta- und Mo-Legierungen oder anderen Materialien haben, die für den Fuß, den Einsatz bzw. das Target ausgewählt wurden.

Es sollte klar sein, daß bei der Fuß/Target-Kombinati on die Position des Überzuges folgende sein könnte: das Target, der Einsatz, der Überzug und dann der Fuß; das Target, der Überzug, der Einsatz und dann der Fuß und das Target, der Überzug, der Einsatz, zusätzlicher Überzug und der Fuß. Spezifisch könnte das Überzugsmaterial auf den äußeren Abschnitt des Fußes, entweder den inneren oder den äußeren Abschnitt des Einsatzes, wobei der innere Abschnitt der ist, wo er im Kontakt mit dem Fuß stehen würde, und der äußere Abschnitt der ist, wo er in Kontakt mit dem Target stehen würde, oder den inneren Teil des Targets aufgebracht werden, wobei dieser innere Abschnitt der ist, wo das Tar get in Kontakt mit dem Einsatz stehen würde.

Wie in Fig. 4 gezeigt, sorgt die Verbindung entlang dem Saum bzw. der Naht 110 und zwischen den Wandungen 120, 121 und 122 für eine einheitliche Konstruktion aus Target 102 und Fuß 106, die gegenüber strukturellen Veränderungen während der Belastung, die durch die oben erwähnten Anwen dungen unter stark beanspruchendem Protokoll bzw. Behand lungsplan verursacht werden, beständiger ist. Da festge stellt wurde, daß die Probleme des mangelnden Gleichgewich tes höchstwahrscheinlich durch Änderungen verursacht wer den, die im Bereich der Befestigung des Fußes am Target auftreten, wird davon ausgegangen, daß die veranschaulich ten Konstruktionen die relativen Positionsänderungen zwi schen Fuß und Target zumindest verringern, wodurch die Pro bleme des mangelnden Rotor-Gleichgewichtes merklich vermin dert werden.

Während die hier offenbarten Gegenstände bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung bilden, sollte klar sein, daß die Erfindung nicht auf diese Gegenstände beschränkt ist, und daß Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Röntgenröhre, umfassend:
einen Kolben;
eine betriebsmäßig in dem Kolben angeordnete Kathode;
eine einen Rotor und einen Stator einschließende Ano denbaueinheit, die betriebsmäßig mit Bezug auf den Rotor angeordnet ist;
ein Target, das betriebsmäßig mit Bezug auf die Ka thode angeordnet und betriebsmäßig mit dem Rotor durch eine Metall-Metall-Verbindung zwischen dem Target und einem Fuß verbunden ist und
einen betriebsmäßig zwischen dem Target und dem Fuß angeordneten Überzug, um das Verbinden dazwischen zu för dern.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, die mindestens etwa 40.000 Röntgenscan-Sekunden absolviert, bevor ein Versagen durch Ungleichgewicht der Anodenbaueinheit auftritt.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 1, worin der Koeffizient der Wärmeausdehnung des Fußmaterials größer als der Koeffi zient der Wärmeausdehnung des Einsatzmaterials ist, der seinerseits größer als der Koeffizient der Wärmeausdehnung des Targetmaterials ist.

4. Röntgenröhre nach Anspruch 1, worin das Target weiter umfaßt:
einen betriebsmäßig zwischen dem Target und dem Fuß angeordneten Einsatz.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 4, worin der Einsatz eine Tantallegierung umfaßt.

6. Röntgenröhre nach Anspruch 4, worin der Einsatz ein Material umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Ta; Ta-10W (Ta, 10W); T-111 (Ta, 8W, 2Hf); T-222 (Ta, 9,6W, 2,4Hf, 0,01C); ASTAR-811C (Ta, 8W, 1Re, 1Hf, 0,025C); GE- 473 (Ta, 7W, 3Re); Ta-2,5W (Ta, 2,5W) und Ta-130 (Ta mit 50-200 ppm Y).

7. Röntgenröhre nach Anspruch 4, worin der Fuß eine Nioblegierung umfaßt.

8. Röntgenröhre nach Anspruch 4, worin der Fuß ein Material umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Nb; CB-752 (Nb, 10W, 2,5Zr); C129Y (Nb, 10W, 10Hf, 0,1Y); FS-85 (Nb, 28Ta, 11W, 0,8Zr) und C103 (Nb, 10Hf, 1Ti, 0,7Zr).

9. Röntgenröhre nach Anspruch 4, worin der Fuß C-103 umfaßt.

10. Röntgenröhre nach Anspruch 4, worin der Einsatz aus Tantallegierung mit dem Verbindungs-Förderer zwischen dem Einsatz und dem Target überzogen ist.

11. Röntgenröhre nach Anspruch 4, worin der Einsatz aus Tantallegierung mit einem Diffusionsförderer zwischen dem Target und dem Fuß überzogen ist.

12. Röntgenröhre nach Anspruch 1, worin der Verbindungs- Förderer ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Titan, Niob-Titan-Legierungen, Aluminium und Titan-Vanadium-Zir konium-Legierungen (Zirkonium bei weniger als 30 Atom-%).

13. Röntgenröhre nach Anspruch 4, worin der Fuß mit dem Verbindungs-Förderer derart überzogen ist, daß dieser mit dem Einsatz in Berührung steht.

14. Röntgenröhre nach Anspruch 4, worin das Target derart mit dem Verbindungs-Förderer überzogen ist, daß dieser mit dem Einsatz in Berührung steht.

15. Röntgensystem, umfassend:
eine Öl enthaltende Umhüllung;
eine Ölpumpe, die betriebsmäßig mit Bezug auf die Um hüllung angeordnet ist, um Öl innerhalb des Systems zirku lieren zu lassen;
mindestens eine Kühleinrichtung, die betriebsmäßig mit der Umhüllung und der Ölpumpe verbunden ist, um das Öl zu kühlen;
eine Röntgenröhre, die betriebsmäßig innerhalb der Umhüllung angeordnet ist, um Röntgenstrahlen zu erzeugen und auf ein Target zu richten, wobei die Röntgenröhre um faßt:
einen Kolben;
eine betriebsmäßig in dem Kolben angeordnete Kathode;
eine einen Rotor und einen Stator einschließende Ano denbaueinheit, die betriebsmäßig mit Bezug auf den Rotor angeordnet ist;
ein Target, das betriebsmäßig mit Bezug auf die Ka thode angeordnet und betriebsmäßig mit der Anodenbaueinheit durch Metall-Metall-Diffusion verbunden ist, und
einen betriebsmäßig zwischen dem Target und dem Fuß angeordneten Überzug, um das Verbinden dazwischen zu för dern.

16. Röntgensystem nach Anspruch 15, die mindestens etwa 40.000 Röntgenscan-Sekunden absolviert, bevor ein Versagen durch Ungleichgewicht der Anodenbaueinheit auftritt.

17. Röntgensystem nach Anspruch 15, worin der Koeffizient der Wärmeausdehnung des Fußmaterials größer als der Koeffi zient der Wärmeausdehnung des Einsatzmaterials ist, der seinerseits größer als der Koeffizient der Wärmeausdehnung des Targetmaterials ist.

18. Röntgensystem nach Anspruch 15, worin das Target durch Diffusion mit einem Einsatz verbunden ist.

19. Röntgensystem nach Anspruch 18, worin der Einsatz eine Tantallegierung umfaßt.

20. Röntgensystem nach Anspruch 18, worin der Einsatz ein Material umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Ta; Ta-10W (Ta, 10W); T-111 (Ta, 8W, 2Hf); T-222 (Ta, 9,6W, 2,4Hf, 0,01C); ASTAR-811C (Ta, 8W, 1Re, 1Hf, 0,025C); GE- 473 (Ta, 7W, 3Re); Ta-2,5W (Ta, 2,5W) und Ta-130 (Ta mit 50-200 ppm Y).

21. Röntgensystem nach Anspruch 15, worin der Fuß eine Nioblegierung umfaßt.

22. Röntgensystem nach Anspruch 15, worin der Fuß ein Material umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Nb; CB-752 (Nb, 10W, 2,5Zr); C129Y (Nb, 10W, 10Hf, 0,1Y); FS-85 (Nb, 28Ta, 11W, 0,8Zr) und C103 (Nb, 10Hf, 1Ti, 0,7Zr).

23. Röntgensystem nach Anspruch 22, worin der Fuß C-103 umfaßt.

24. Röntgensystem nach Anspruch 18, worin der Einsatz aus Tantallegierung mit einem Diffusionsförderer überzogen ist.

25. Röntgensystem nach Anspruch 24, worin der Diffusions förderer eine dünne Schicht aus Ti ist, die zwischen den in Kontakt stehenden Oberflächen angeordnet ist.

26. Röntgensystem nach Anspruch 24, worin der Diffusions förderer ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Titan, Niob-Titan-Legierungen, Aluminium und Titan-Vanadium-Zir konium-Legierungen (Zirkonium bei weniger als 30 Atom-%).

27. Röntgensystem nach Anspruch 15, worin der Fuß mit ei nem Diffusionsförderer überzogen ist.

28. Röntgensystem nach Anspruch 27, worin der Diffusions förderer eine dünne Schicht aus Ti ist, die zwischen den in Kontakt stehenden Oberflächen angeordnet ist.

29. Röntgensystem nach Anspruch 27, worin der Diffusions förderer ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Titan, Niob-Titan-Legierungen, Aluminium und Titan-Vanadium-Zir konium-Legierungen (Zirkonium bei weniger als 30 Atom-%).

30. Kombination aus Röntengenröhrentarget und Fuß, umfas send:
ein Target, das betriebsmäßig durch eine Metall-Me tall-Diffusionsverbindung zwischen dem Target und einem Metalleinsatz und eine Metall-Metall-Verbindung zwischen dem Einsatz und einem Fuß mit dem Fuß verbunden ist, und
einen betriebsmäßig zwischen dem Target und dem Fuß angeordneten Überzug, um das Verbinden dazwischen zu för dern.

31. Kombination aus Röntgentarget und Fuß nach Anspruch 30, worin der Einsatz eine Tantallegierung umfaßt.

32. Kombination aus Röntgentarget und Fuß nach Anspruch 30, worin der Koeffizient der Wärmeausdehnung des Fußmate rials größer als der Koeffizient der Wärmeausdehnung des Einsatzmaterials ist, der seinerseits größer als der Koef fizient der Wärmeausdehnung des Targetmaterials ist.

33. Kombination aus Röntgentarget und Fuß nach Anspruch 30, worin der Einsatz ein Material umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe umfassend:
Ta; Ta-10W (Ta, 10W); T-111 (Ta, 8W, 2Hf); T-222 (Ta, 9,6W, 2,4Hf, 0,01C); ASTAR-811C (Ta, 8W, 1Re, 1Hf, 0,025C); GE- 473 (Ta, 7W, 3Re); Ta-2,5W (Ta, 2,5W) und Ta-130 (Ta mit 50-200 ppm Y).

34. Kombination aus Röntgentarget und Fuß nach Anspruch 30, worin der Fuß ein Material umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Nb; CB-752 (Nb, 10W, 2,5Zr); C129Y (Nb, 10W, 10Hf, 0,1Y); FS-85 (Nb, 28Ta, 11W, 0,8Zr) und C103 (Nb, 10Hf, 1Ti, 0,7Zr).

35. Kombination aus Röntgentarget und Fuß nach Anspruch 30, worin der Fuß C-103 umfaßt.