DE2252291A1

DE2252291A1 - Roentgenroehre mit einer mit spalten versehenen anode

Info

Publication number: DE2252291A1
Application number: DE2252291A
Authority: DE
Inventors: Jan Van Den Boomgaard; Gerrit Frens; Jaap Van Suchtelen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-11-19
Filing date: 1972-10-25
Publication date: 1973-05-30
Also published as: JPS4912783A; FR2160533A1; FR2160533B1; NL7115946A; US3836804A

Description

„ .., PHN- 5975

vom» ^3. Okt. 1972

Röntgenröhre mit einer mit Spalten versehenen Anode.

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre nit einer Anode,

auf der ein von einer Kathode ausgehender Elektronenstrahl einen Auftrefffleck bildet, und die mit Spalten versehen ist, um eine Beschädigung infolge thermischer Spannungen zu "vermeiden.

Die Anode einer Röntgenröhre wird dadurch beschädigt, dass in einer in Betrieb befindlichen Röhre Anodenraaterial, das durch den Elektronenstrahl getroffen wird, örtlich erwärmt wird, und dass die Wärmeleitfähigkeit des Anodenmaterials im allgemeinen zu gering ist, -um die erzeugte Wärme schnell und gleichmässig über den ganzen Anodenkörper zu verteilen. Hierdurch treten in einer bestrahlten Anode insbesondere bei der Inbetriebnahme der Röhre grosse örtliche Temperaturunterschiede und demzufolge starke thermische Spannungen auf. Im allgemeinen üben warme Teile der Anode, die sich ausdehnen wollen, auf angrenzende kältere Teile, die

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nicht nachgeben können, eine Zugspannung aus, während dadurch in den wärmeren Teilen der Anode eine Druckspannung auftr-itt. Bekanntlich können diese Spannungen insbesondere bei hohen Belastungen der Anode bei Inbetriebnahme der Röntgenröhre die Festigkeit des Anodeninaterials überschreiten. Hierdurch kann eine plastische Verformung, die die Form von Verwerfungen annimmt, im wärmeren Teil und ein Bruch im kälteren und mithin verhältnismässig spröden Teil auftreten.

Es ist bekannt, bei einer gegebenen Abmessung des Auftreffflecks des Elektronenstrahls die thermischen Spannungen in der Anode erheblich zu verringern, indem man die Anode bewegt, wodurch der Auftreffleck eine sogenannte Brennfleckbahn über die Anodenoberfläche beschreibt. Die Bestrahlung und die dadurch hervorgerufene Wärme werden dann gleichmässig über das in der Brennfleckbahn liegende Material verteilt, wodurch die Temperatur weniger stark ansteigt und bei dem gleichen Anodenriaterial eine höhere momentane Belastung zulässig ist. Daher werden insbesondere Drehanoden häufig in Röntgenröhren und zwar insbesondere in Röntgenröhren für medizinische Zwecke angewendet, in denen insbesondere eine hohe Belastung erwünscht ist. Bei diesen hohen Belastungen tritt jedoch auch bei den sich bewegenden Anoden infolge der darin auftretendem thermischen Spannung eine Beschädigung oder ein Bruch auf.

Es sind verschiedene Massnahmen bekannt, die den Zweck

haben, diese Beschädigung von Anoden in Röntgenröhren einzuschränken. Aus der deutschen Patentschrift 667039 ist es bekannt, die Festigkeit der Anode durch Anbringen von unterstützenden Rändern zu erhöhen. Ebenfalls ist es bekannt, durch Anwendung besonderer Legierungen und Kombinationen von Legierungen die mechanische Festigkeit oder die Dehnungsfähigkeit des Anodenmaterials zu erhöhen. Alle bekannten Verfahren beschränken sich jedoch

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auf eine Verringerung der Folgen der in der Brennfleckbahn auftretenden thermischen Spannungen und gewähren dadurch lediglich eine begrenzte Verbesserung.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1.93"?·35"! ist es bekamt, die mechanischen Spannungen, die durch den erwärmten Teil der Anode, d.h. die Brennfleck bahn zum kälteren Teil weitergeleitet v/erden, dadurch zu ver.-iindern, dass dem kälteren Teil der Anode eine federnde Konstruktion gegeben wird. In einer Drehanode werden dazu in dem ausserhalb der Brennflecknahn liegenden und mithin nicht direkt erhitzten Anodenmaterial Spalten angebracht. Diese Spalten durchdringen das Anodenmaterial etwa radial wie in der deutschen Patentschrift 687378, oder spiralförmig wie entsprechend der deutschen Cffenlegungsschrift 1.937·351· Durch die federnde Konstruktion werden die in den direkt erwärmten Anodenmaterial erzeugten Spannungen be::--er über das spröde Material verteilt. Es tritt ]a:-ei jedoch eine Spann'jr..·-skonzentration an den nach innen ragenden Enden eier Spalten auf, was dennoch wieder zum Bruch führen kann. Ausserdem wird .:ie -värmeai-leitung aua der Brennfleckbahn behindert, da die Spalten hier eine tangential gerichtete Komponente haben, überdies werden bei diesem Verfahren d:e Spannungen in der Brennfleckbahn selbst nicht beträchtlich verringert, wodurch an der Stelle wiederum Verwerfungen auftreten können. ij^£?r zuletzt-Onannte liachteil kann zumindest teilweise dadurch beseitigt werden, -iasc entsprechend der genannten Offenlegungsschrift das Material If-r "irennflecktahn in Form eines gesonderten Ringes auf die federnde Konstruktior, geklemmt wird. In dem Fall wird die Wärmeableitung aus der BrennflecKbahn jr-doc?i schwerwiegend behindert _fv wodurch das Material in dieser "Sahn tesonders warm wird.

Die Erfindung bezweckt-, eine Röntgenröhre zu schaffen, in

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der die obengenannten Nachteile nicht auftreten, und dazu ist eine Röntgenröhre der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Spalten das durch den Elektronenstrahl zu bestrahlende Anodenmaterial durchdringen.

Da entsprechend der Erfindung gerade das durch den Elektronenstrahl erwärmte Material mit Spalten versehen wird, werden thermische Spannungen darin grösctenteils vermieden und werden also auch in viel geringerem Masse Spannungen zum spröden Material weitergeleitet. Bei der Anwendung der Erfindung bei einer Drehanode kann sich der Brennfleckring unter Erhaltung eines guten Wärmekontakts mit dem umgebenden Anodenmaterial ausdehnen und zusammenziehen, ohne dass innere oder äussere thermische Spannungen auftreten und ohne dass die Anodenscheibe erheblich abgeschwächt wird. Um zu verhindern, dass Elektronen aus dem Elektronenstrahl die ganze Anode passieren oder auf einem aus einem anderen Material bestehenden Untergrund in einer zusammengesetzten Anode auftreffen, können die Spalte unter einem Winkel zur Einfallsrichtung des Elektronenstrahls angebracht werden.

Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Röntgenröhre mit einer Drehanode, die nach der Erfindung mit Spalten versehen ist,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Drehanode mit erfindungsgemässen Spalten,

Fig, 3 eine schematische Darstellung einer Drehanode, in der die Spalten einen Winkel zur Einfallsrichtung des Elektronenstrahls bilden,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Reifenanode, die mit erfindungsgemässen Spalten versehen ist.

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Eine Röntgenröhre 1 enthält eine Wand 2 mit einem Röntgenaustrittsfenster 3· In der Wand 2 befindet sich ferner eine Durchführung für die Zuführungsleitungen 5 zu einer Kathode 6. Ein Heizfaden 7 ist hier mittels einer Mittenanzapfung 8 in-zwei Teile 9 und 10 eingeteilt. Bei Betrieb emittiert der Heizfaden einen Elektronenstrahl 11, der zu einer Anode 12 hin beschleunigt wird und diese in einem Auftreffleck 13 trifft.

Über eine Achse 14 wird die Anode 12 durch eine Antriebsvorrichtung .15 in eine Umdrehung versetzt mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von etwa 9000

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Umdrehungen pro Minute. Über eine Durchführung 16 in der Wand 2 sind die Zuführungsleitungen für die Drehanodenanordnung durch die .Röhrenwand geführt. Beim Rotieren der Anode 12 beschreibt der Auftreffleck 15 eine kreisförmige Brennfleckbahn, und es wird ein Röntgenstrahlenbündel 17 erzeugt, das durch das Fenster 3 nach aussen tritt. Durch die Wahl des Heizfadenteils 9 oder 10 kann bei dieser Doppelfokusröhre die Brennfleckbahn in radialer Richtung über die Anode verlagert werden, wobei beispielsweise eine andere Fokussierung für den Strahl 17 auftritt oder ein Röntgenstrahl mit einer abweichenden Wellenlänge erzielt wird, da die Anodenscheibe an der Auftreffleckoberflache aus verschiedenen Materialien besteht. Nach der Erfindung hat die Anode 12 einen in Fig. 2 dargestellten Aufbau. Eine derartige Anode hat etwa einen Durchmesser von 90 mm, und sie ist aus einer etwa aus Wolfram bestehenden Anodenscheibe 20 aufgebaut. In dieser Anodenscheibe ist mittig zu einer starren Verbindung 21 eine Rotationsachse 22 · eingesetzt. Ein mit gestrichelten Linien angegebener ringförmiger Teil 23, dessen freiliegende Oberfläche 24 als Auftreffleckoberflache wirksam ist, wird im folgenden als Brennfleckbahn bezeichnet. Die Brennfleckbahn kann also ein Ganzes mit der Anodenscheibe oder, bei zusammengesetzten Anoden, ein Ganzes mit einer Deckschicht der Anode bilden, sie kann jedoch eben-

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falls als ein gesonderter Ring in die Anodenscheibe eingebettet sein. Die Anodenscheibe und insbesondere ihre Deckschicht können statt aus Wolfram aus etwa Ruthenium, Rhodium, Palladium, Molybdän oder aus Legierungen wie Wolfram mit Rhenium oder Wolfram mit Irridium bestehen. Die zusammengesetzten Anodenscheiben, die häufig in Form einer Doppelschicht ausgebildet sind, und bei denen die beiden Schichten häufig aneinander festgesintert sind, besteht die nicht zu bestrahlende Schicht vorzugsweise aus Molybdän. Bei einem doppelt ausgeführten Brennfleckring kb'nnen die beiden nebeneinanderliegenden Ringe aus verschiedenen Materialien bestehen. In der Anodenscheibe sind nach der Erfindung die Spalte 25 angebracht. Diese Spalte durchdringen die Brennfleckbahn 23 nahezu radial, und verlaufen vorzugsweise von dem freien radialen Ende 26 der Anodenscheibe auf eindeutige Weise in den Brennfleckring hinein. Bei einer Anodenscheibe mit einem Durchmesser von 90 mm beträgt der Abstand von der freien Begrenzung bis zur Aussenbegrenzung der Brennfleckbahn etwa 5 β"Ίι ist die Brennfleckbahn etwa 15 mm breit und setzen sich die Spalten noch um etwa 10 mm im Brennfleckbahn fort. Die Enden 27 der Einschnitte liegen dann in einem Abstand von 15 nun vom Mittelpunkt der Scheibe entfernt. Es ist im allgemeinen günstig, die Spalte sich bis zum freien Ende 26 erstrecken zu lassen, da die thermischen Spannungen dann auf optimale Weise vermieden werden. Ausserdem ist das Anbringen der Spalte dann einfacher. Die Breite der Spalte beträgt etwa 50-200 Mikron, und sie wird durch die etwa numerisch zu errechnende maximale Auedehnung in der Brennfleckbahn und durch die Anzahl von Spalten bestimmt. Die Anzahl von Spalten beträgt für eine gute Einteilung der Brennfleckbahn und eine Einschränkung der Spaltbreite zumindest etwa 8, wenn auch bei manchen Anwendungen weniger Spalten genügen. Die Spalte können beispielsweise durch Funkenerosion oder Elektronenstrahl-

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bearbeitung angebracht werden. Ein Vorteil dabei ist der, dass bei der Herstellung von Anodenscheiben nicht berücksichtigt zu werden braucht, ob Spalte angebracht werden sollen oder nicht. Ausserdem können die Spalte bereits beim Formieren der Anodenscheiben angebracht werden.

Um zu verhindern, dass Elektronen aus dem Elektronenstrahl die ganze Anode passieren, können die Spalte entsprechend Fig. 3 in Flächen angebracht werden, die einen schrägen Winkel zur Richtung des auftreffenden Elektronenstrahls bilden. Die Grosse des Winkels wird durch die Spaltbreite und die Dicke der Anodenscheibe oder die Dicke des Brennfleckringmaterials bestimmt, wenn das Trägermaterial bei zusammengesetzter Anode gegen einen Elektronenbeschuss geschützt werden muss. Es ist nicht immer notwendig, dass die Spalten den gesamten Anodenteil, der - vom Elektronenstrahl aus gesehen - unterhalb der Brennfleckbahn liegt, durchdringen. Dies erübrigt sich beispielsweise, wenn das Material an der Stelle nicht warm wird. Im allgemeinen ist es jedoch günstiger, die Spalten das Material unter der Brermfleckbahn durchdringen zu lassen.

In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform in Gestalt einer Reifenanode (siehe britische Patentschrift 1.232.160) dargestellt. Ein Brennfleckring 30 bildet hier gleichsam einen Radreifen um einen rotationssymmetrischen Trägerkörper 31· Eine Rotationsachse 32 durchsetzt den Trägerkörper, der mittels der Klemmglieder 33 und 34 starr damit verbunden ist. Beide Achsteile 35 und 36 der Rotationsachse können nun in Lagern montiert werden, wodurch eine stabile Aufhängung gewährleistet ist. Die Spalten 25 teilen hier den Brennfleckring in etwa 12 Bogenabschnitte ein, und sie können ein Stück in den Trägerkörper hineinragen. Auch hier können die Spalten .entlang Flächen verlaufen, die einen Winkel zur Einfallsrichtung des Elektronenstrahls bilden.

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Die Vorteile der erfindungsgemässen Lösung sind bei dieser Reifenanode besonders auffällig. Die Spalte sind hier gegenüber denjenigen der obenbeschriebenen Drehanoden verhältnismässig kurz, entsprechend der Dicke des Rades, und nicht tief (etwa einige ilillimeter), so dass nur wenig Material entfernt zu werden braucht, wodurch das Anbringen der Spalten preisgünstiger ist. Bei bekannten Lösungen ergibt sich hier der Nachteil, dass der Brennfleckring sich dann, wenn er durch einen um den Träger geklemmten Ring gebildet wird, bei Erhitzung durch den Elektronenstrahl vom Träger löst. Hierdurch kann er gegebenenfalls vom Rad herunterfallen, und ein guter Wärmekontakt zwischen Rad und Brennfleckring wird auf jeden Fall unterbrochen.

Beim Anbringen der Spalte können die bei der.Begrenzung des Anodenkörpers auftretenden Kanten etwas abgerundet werden. Ebenso können die inneren Begrenzungen 27 mit Abrundungen versehen werden, wobei der Abrundungsradius grosser sein kann als die halbe Spaltbreite, was zu der in Fig. 4 dargestellten Form führt.

Die Erfindung ermöglicht es, Anodenscheiben mit einem

grösseren Durchmesser anzuwenden. Bei bekannten Lösungen hat sich stets gezeigt, dass grössere Scheiben schnell zerbrechen, obwohl der darin befindliche ' Brennfleckring durch die gröasere Auftreffoberflache und die grössere Wärmeabgabe weniger warm wird. Es dürfte im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung einleuchten, dass die im absoluten Sinn grössere thermische Ausdehnung des Brennfleckrings hierfür verantwortlich ist. Durch Aufteilung des Brennfleckrings ist diese Einschränkung beseitigt, wodurch einerseits höhere Belastungen zulässig sind, oder andererseits bei gleichbleibender Belastung die Wahl des Anodenmaterials weniger beschränkt ist. Von diesen Vorteilen kann man insbesondere bei Röntgenröhren für medizinische Zwecke Gebrauch machen.

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Claims

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PATENIAMS P.RUCHE :

[ ΙΟ Röntgenröhre mit einer Anode, auf der ein von einer Kathode ausgehender Elektronenstrahl einen Auftreffleck bildet, welche Anode mit Spalte versehen ist, um eine Beschädigung infolge thermischer Spannungen zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (25) das durch den Elektronenstrahl (11) zu bestrahlende Anodenmaterial durchdringen.
2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (12) bewegbar in der Röntgenröhre (1) angeordnet ist, und dass eine durch den Elektronenstrahl (ii) auf der Anode (12) zu beschreibende längliche Brennfleckbahn (23) durch die Spalte in Längsrichtung dieser Bahn in mehrere Abschnitte aufgeteilt wird.
3. Röntgenröhre nach Anspruch.2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode durch eine Drehanode gebildet wird, und dass die Spalte die Brennfleckbahn in mehrere Abschnitte aufteilen und dass sie sich vom Umfang (26) der Anode (12) aus bis in den Brennfleckbahn hinein erstrecken.
4. Röntgenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (12) durch eine Reifenanode gebildet wird, und dass die Spalte sich vom Umfang der Anode aus einige mm in die Anode (12) hinein fortsetzen.
5. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 4> dadurch ge-, kennzeichnet, dass die Spalten in Ebenen liegen, die einen schrägen Winkel mit der Einfallsrichtung des auf die Anode auftreffenden Elektronenstrahls einschliessen.
6. Anode für eine Röntgenröhre nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Spalten (25) versehen ist, die eine durch einen Elektronenstrahl zu treffende Auftreffoberfläche in mehrere Abschnitte aufteilen.

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7. Drehanode für eine Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Spalten (25) versehen ist, die sich vom Umfang (26) der Anode (12) aus in die Brennfleckbahn hinein erstrecken und die Brennfleckbahn in der Drehrichtung in mehrere Abschnitte aufteilen.
8. Reifenanode für eine Röntgenröhre nach Anspruch 4t dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (25) einen als Brennfleckring wirksamen Reifen in mehrere Abschnitte aufteilen und dass sie sich bis in das durch den Elektronenbeschuss schnell ervärmende Material fortsetzen.
9. Rotationssymmetrische Anode für eine Röntgenröhre nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen scheibenförmigen Anodenkörper init einem Durchmesser enthält, der grosser als 100 mm ist.

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