DE19536283A1

DE19536283A1 - Metallisches Vakuumgehäuse für eine Röntgenröhre

Info

Publication number: DE19536283A1
Application number: DE1995136283
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr Ing Lenz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-09-28
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2015-09-29
Also published as: DE19536283C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Vakuumgehäuse für eine Röntgen röhre, dessen Wandung wenigstens in dem im Betrieb der Rönt genröhre dem Brennfleck der Röntgenröhre benachbarten Bereich aus metallischem Werkstoff gebildet ist.

Insbesondere bei platzsparend aufgebauten Drehanoden-Röntgen röhren kann es in der Nähe des Brennfleckes zu thermoschock artigen Belastungen des Vakuumgehäuses kommen. Diese Bela stungen resultieren aus der Sekundärelektronenwolke, die sich mit Beginn des Röhrenstromes zentrisch vom Brennfleck aus ausbreitet. Die Gesamtenergie der Sekundärelektronenwolke be trägt je nach elektrischer Feldstärke und elektrischer Be schaltung der Röntgenröhre mit elektrischen Dämpfungswider ständen und dgl. wenigstens 10%, unter Umständen über 20%, der Energie des Primärelektronenstrahles. Die Energiedichte der Sekundärelektronenwolke kann beim Auftreffen auf die Innenseite der Vakuumhülle so hoch sein, daß zwischen der ge kühlten Außenseite des Vakuumgehäuses und der Innenseite des Vakuumgehäuses eine Temperaturdifferenz auftritt, die je nach Wanddicke des Vakuumgehäuses durchaus in der Größenordnung von 80 bis 120° C und darüber liegen kann.

Nach Warren C. Young, Roark′s Formulas for Strain and Stress, 6. Auflage, New York, 1989 entstehen an der gekühlten Außen oberfläche des Vakuumgehäuses im Betrieb der Röntgenröhre Zugspannungen σ_z, die sich mindestens zu

errechnen, wobei
ΔT die Temperaturdifferenz,
α_th der thermische Ausdehnungskoeffizient,
E der Elastizitätsmodul, und
ν die Querkontraktionszahl
sind.

Bei behinderter Wärmedehnung, und davon ist im Falle des Vakuumgehäuses einer Röntgenröhre auszugehen, erhöhen sich die Zugspannungen auf

σ_z = (ΔT·α_th·E)/(1-ν)

oder sogar auf

σ_z = (ΔT·α_th·E)/(1-2ν),

je nachdem, wie groß die Dehnungsbehinderung ist.

Wenn in das Vakuumgehäuse ein zur Aufnahme der Kathodenanord nung der Röntgenröhre vorgesehenes Rohr mündet und die Rohr mündung, was meist der Fall ist, im Bereich der hohen Ener giedichte der Sekundärelektronenwolke liegt, treten in der Lochleibung aufgrund der speziellen Lochleibungsgeometrie ebenfalls thermisch bedingte Spannungen σ infolge der behin derten Wärmedehnungen auf, die sich zu

α = k·α_th·E·ΔT

errechnen, wobei
k ein Korrekturfaktor ist, der unter ähnlichen Umständen in der Kraftwerktechnik mit k = 1,83 angesetzt wird.

Unter Verwendung der drei zuletzt aufgeführten Gleichungen und mit k = 1,83 im Falle der letzten Gleichung errechnen sich bei einer Wandstärke des Vakuumgehäuses von 2 mm an des sen Außenoberfläche Zugspannungen im Bereich von 335 bis 600 N/mm².

Bei den für das Vakuumgehäuse von Röntgenröhren üblicherweise verwendeten Werkstoffen (z. B. Werkstoff Nr. 1.4539) ist somit bei den zu erwartenden Temperaturen keine Dauerfestigkeit mehr gewährleistet. Es liegt vielmehr lediglich Zeitfestig keit vor, so daß mit Materialermüdung, also mit der Bildung von Rissen und damit mit Undichtigkeit des Vakuumgehäuses, frühestens nach 5×10⁴, spätestens aber nach 2×10⁶ ther mischen Lastwechseln, d. h. Röhrenstromschüssen bzw. Röntgen aufnahmen, zu rechnen ist.

Seit Bekanntwerden des geschilderten Problems wird versucht, durch Herabsetzung der Wanddicke des Vakuumgehäuses in dem im Betrieb der Röntgenröhre dem Brennfleck der Röntgenröhre be nachbarten Bereich von zuvor ca. 3 mm auf 2 mm Abhilfe zu schaffen. Es wird nämlich davon ausgegangen, daß eine gerin gere Wanddicke zu einer geringeren Temperaturdifferenz zwi schen Innen- und Außenseite des Vakuumgehäuses und damit zu einer Erniedrigung der thermisch bedingten Zugspannungen führt.

Außerdem wird nunmehr im Bereich des Rohransatzes ein Stutzen einstückig an das Vakuumgehäuse angeformt, an den das die Kathodenanordnung aufnehmende Rohr mittels einer LASER- Schweißung angeschweißt wird. Im Gegensatz zu der zuvor vor handenen, die Kerbspannungen stark erhöhenden Eckschweißung sind also keine Makrokerben mehr vorhanden, jedoch stellt auch die LASER-Schweißung eine, wenn auch sehr flach ausge prägte, Kerbe an der Außenseite der Schweißung dar.

Auch bei Vakuumgehäusen, die dem geschilderten Problem in der beschriebenen Weise Rechnung zu tragen versuchen, ist jedoch erfahrungsgemäß weder Dauerfestigkeit noch eine ausreichend lange Lebensdauer gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vakuumgehäuse der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine erhöhte Lebensdauer erreicht wird.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Vakuumgehäuse für eine Röntgenröhre gelöst, welches wenigstens in dem im Betrieb der Röntgenröhre dem Brennfleck der Röntgenröhre be nachbarten Bereich seiner Wandung an deren äußerer Oberfläche Druckeigenspannungen aufweist. Eine Erhöhung der Lebensdauer wird deshalb erreicht, weil - vereinfacht formuliert - in folge der Überlagerung der Druckeigenspannungen und der ther misch bedingten Zugspannungen die an der äußeren Oberfläche des Vakuumgehäuses auftretenden Zugspannungen gegenüber den thermisch bedingten Zugspannungen die bei Abwesenheit der Druckeigenspannungen vorliegen würden, um den Betrag der Druckeigenspannungen vermindert sind. Dies führt insbesondere dazu, daß bei den thermoschockartigen Belastungen die Warm streckgrenze des Materials des Vakuumgehäuses nicht über schritten wird.

Wenn gemäß einer Variante der Erfindung die Druckeigenspan nungen auch im Bereich einer eventuell vorhandenen Schweiß naht vorliegen, ergibt sich auch am Bereich der Schweißnaht eine günstigere Situation. Für den Fall, daß die Schweißnaht durch LASER-Schweißen hergestellt ist, verliert die Schweiß naht ihre lebensdauerverkürzende Wirkung, da es sich bei einer LASER-Schweißnaht um eine an sich nur schwach ausgebil dete Kerbe handelt.

Gemäß einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren werden die Druckeigenspannungen durch Oberflächenstrahlen der äuße ren Oberfläche des Vakuumgehäuses erzeugt. Das Oberflächen strahlen kann beispielsweise mit Glas- oder Korundkörpern er folgen.

Messungen haben ergeben, daß die durch Oberflächenstrahlen erzeugten Druckeigenspannungen in Richtung der Wanddicke ab nehmen und ungefähr in der Mitte der Wanddicke enden. Außer dem wurde festgestellt, daß ohne weiteres Druckeigenspannun gen erzeugt werden können, deren Werte bei einer Wanddicke des Vakuumgehäuses von 2 mm unmittelbar an der Oberfläche des Vakuumgehäuses zwischen 400 und 650 N/mm² und damit in der Größenordnung der zu erwartenden thermisch bedingten Zugspan nungen liegen, was für eine deutliche Erhöhung der Lebens dauer des Vakuumgehäuses völlig ausreicht.

Die Höhe der erzielbaren Druckeigenspannungen hängt übrigens außer von der Höhe des Luftdruckes des Strahlgebläses auch von dem verwendeten Strahlgut ab. Es ist also möglich, durch Wahl des Luftdruckes und des Strahlgutes die Druckeigenspan nungen dem jeweiligen Anwendungsfall anzupassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung dargestellt, die eine ein erfindungsgemäßes Vakuum gehäuse aufweisende Röntgenröhre in schematischer Darstellung im Längsschnitt zeigt.

Die in der Figur dargestellte Röntgenröhre weist ein aus einem metallischen Werkstoff gefertigtes erfindungsgemäßes Vakuumgehäuse 1 mit einem rohrförmigen Ansatz 1a auf. An die sen ist mittels einer LASER-Schweißung 9 ein Rohr 1c ange setzt, in das mittels eines Isolators 2 eine schematisch an gedeutete, insgesamt mit 3 bezeichnete Kathodenanordnung ein gesetzt, die, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet ist, eine in einer Fokussierungsnut 3a eines Kathodenbechers 3b aufge nommene Glühkathode 3c enthält. Von dieser geht ein in Fig. 1 strichliert angedeuteter Elektronenstrahl E aus, der in einem Brennfleck BF auf die Auftrefffläche 4a einer insgesamt mit 4 bezeichneten Drehanode auftrifft.

Die Drehanode 4 ist in nicht näher dargestellter Weise in ei nem zweiten Ansatz 1b des Vakuumgehäuses 1 in an sich bekann ter Weise drehbar gelagert.

Die Drehanode 4 weist einen mit dem Anodenkörper 4b verbunde nen Rotor 5 auf, der mit einem außen auf dem Ansatz 1b ange brachten Stator 6 nach Art eines Kurzschlußläufermotors zu sammenwirkt.

Die Drehanode 4 und das Vakuumgehäuse 1 sind elektrisch lei tend miteinander verbunden. Sie liegen im Falle des darge stellten Ausführungsbeispieles auf Erdpotential 7. Der eine Anschluß der Glühkathode 3c liegt auf negativer Hochspannung -U_R, z. B. -125 kV. Zwischen den beiden Anschlüssen der Glüh kathode 3c liegt die Heizspannung U_H.

Das Vakuumgehäuse 1 ist mit einem beispielsweise aus Beryl lium gebildeten Strahlenaustrittsfenster 8 versehen, durch das im Betrieb der Röntgenröhre das vom Brennfleck BF ausge hende Röntgenstrahlenbündel austritt, dessen Zentral- und Randstrahlen in der Figur strichliert angedeutet und mit ZS bzw. RS bezeichnet sind.

Jedesmal wenn bei Aktivierung der Röntgenröhre, beispielswei se zur Anfertigung einer Röntgenaufnahme, der Röhrenstrom zu fließen beginnt, ist das Vakuumgehäuse 1 in seinem dem Brenn fleck BF benachbarten Bereich einer thermoschockartigen Bela stung unterworfen. Diese Belastung kommt durch das Auftreffen der sich mit Beginn des Röhrenstromes zentrisch vom Brenn fleck BF ausbreitenden Sekundärelektronenwolke auf die Innen seite des Vakuumgehäuses 1 zustande. Infolge der hohen Ener giedichte der Sekundärelektronenwolke tritt nämlich eine Tem peraturdifferenz in der Größenordnung von 100°C zwischen der Innenseite und der Außenseite des Vakuumgehäuses 1 auf.

Um zu verhindern, daß die in diesem Zusammenhang an der Außenseite des Vakuumgehäuses 1 auftretenden thermisch be dingten Zugspannungen sich, z. B. durch Rißbildung, nachteilig auf die Lebensdauer des Vakuumgehäuses 1 und damit der Rönt genröhre auswirken, ist die äußere Oberfläche desjenigen Be reiches der Wandung des Vakuumgehäuses 1, die dem Brennfleck BF benachbart ist, durch Oberflächenstrahlen, beispielsweise mit Glas- oder Korundkörpern, derart behandelt, daß in dem oberflächengestrahlten Bereich an der äußeren Oberfläche der Wandung des Vakuumgehäuses 1 Druckeigenspannungen vorliegen. Der oberflächengestrahlte Bereich ist in der Fig. 1 durch eine entlang der äußeren Oberfläche des Vakuumgehäuses 1 ver laufende strichlierte Linie gekennzeichnet und mit OS be zeichnet.

Winkelmäßig erstreckt sich der oberflächengestrahlte Bereich bezogen auf die Mittelachse M der Drehanode 4 ausgehend vom Zentralstrahl ZS jeweils über wenigstens 90° im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn entlang des Umfangs des Vakuumge häuses 1.

Infolge der Überlagerung der thermisch bedingten Zugspannun gen mit den durch das Oberflächenstrahlen erzeugten Druckei genspannungen ergibt sich eine Absenkung der an der äußeren Oberfläche der Wandung des Vakuumgehäuses 1 effektiv wirksa men Spannungen und damit eine Erhöhung der Lebensdauer des Vakuumgehäuses 1.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, liegt auch die LASER- Schweißung 9 innerhalb des durch Oberflächenstrahlen behan delten Bereiches OS. Hierdurch wird erreicht, daß die LASER- Schweißung 9 ihre Lebensdauer verkürzende Wirkung verliert.

Übrigens wirkt sich das Oberflächenstrahlen nicht nur im Falle von LASER-Schweißungen, sondern auch im Falle von her kömmlichen Schweißungen lebensdauersteigernd aus.

Im Falle der vorstehend beschriebenen Röntgenröhre handelt es sich um eine sog. einpolige Röntgenröhre, bei der das Vakuum gehäuse und die Anode auf einem gemeinsamen Potential liegen. Die Erfindung kann aber auch bei sog. zweipoligen Röntgen röhre zur Anwendung kommen, bei denen das Vakuumgehäuse auf einem Potential liegt, das zwischen dem der Anode und dem der Kathode liegt.

Obwohl die Erfindung am Beispiel einer Drehanoden-Röntgen röhre beschrieben ist, können auch Festanoden-Röntgenröhren mit einem erfindungsgemäßen Vakuumgehäuse versehen werden.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß sich eine nochmals ver besserte Lebensdauer des Vakuumgehäuses erreichen läßt, wenn das Vakuumgehäuse in demjenigen Bereich oder einem Teil des Bereiches, in dem es an seiner äußeren Oberfläche Druckeigen spannungen aufweist aus einem mehrschichtigen Verbundwerk stoff gebildeten ist, dessen innere Schicht aus einem Mate rial besteht, das einen geringeren thermischen Ausdehnungs koeffizienten und/oder einen geringeren Elastizitätsmodul als das Material der äußeren Schicht aufweist. Infolge des Um standes, daß auf der heißeren Seite der Wandung eine Schicht eines Materials vorliegt, das einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder einen geringeren Elastizi tätsmodul als das Material der äußeren Schicht aufweist, wer den die in der äußeren Schicht, insbesondere an deren äußerer Oberfläche auftretenden, durch den Thermoschock bedingten Zugspannungen herabgesetzt.

Claims

1. Vakuumgehäuse (1) für eine Röntgenröhre, dessen Wandung wenigstens in dem im Betrieb der Röntgenröhre dem Brennfleck (BF) der Röntgenröhre benachbarten Bereich aus metallischem Werkstoff gebildet ist und an ihrer äußeren Oberfläche Druck eigenspannungen aufweist.

2. Vakuumgehäuse nach Anspruch 1, welches in dem im Betrieb der Röntgenröhre dem Brennfleck (BF) der Röntgenröhre benach barten Bereich seiner Wandung eine Schweißnaht (9) aufweist, wobei auch im Bereich der Schweißnaht Druckeigenspannungen vorliegen.

3. Vakuumgehäuse nach Anspruch 1, dessen Schweißnaht (9) durch LASER-Schweißen hergestellt ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Vakuumgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend den Verfahrensschritt, daß die Druckeigenspannungen durch Oberflächenstrahlen der äuße ren Oberfläche des Vakuumgehäuses erzeugt werden.

5. Röntgenröhre, welche ein Vakuumgehäuse nach einem der An sprüche 1 bis 3 aufweist.