DE2354518C2 - Anode für eine Röntgenröhre - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anode für eine Röntgenröhre aus einer Wolfram und Molybdän enthaltenden Legierung.

In der AT-PS 2 12 573 sind ganz generell duktile Wolfram- und bzw. oder Molybdänlegierungen beschrieben, die nach dem Patentanspruch gekennzeichnet sind durch folgende Zusammensetzung:

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1. Insgesamt 1—20%, vorzugsweise 3—15% Tantal, Niob, Chrom, Vanadin einzeln oder zu mehreren und bzw. oder insgesamt 0,2—10%, vorzugsweise 0,5—3% Titan, Zirkonium, Hafnium einzeln oder zu mehreren

2. 3 —30% Rhenium und

3. Rest Molybdän und bzw. oder Wolfram.

Die Legierung nach der AT-PS 2 12 573 muß daher mindestens drei Bestandteile enthalten. Die in Beispiel 1 dieser PS genannte Legierung besteht sogar aus vier Bestandteilen, nämlich 54 Gew.-% Molybdän, 20 Gew. % Wolfram, 10 Gew.-% Tantal, Rest Rhenium.

Bezüglich der Verwendbarkeit der speziellen Legierung des Beispiels 1 ist der AT-PS 2 12 573 nichts zu entnehmen.

In der vorgenannten PS ist vielmehr nur ganz generell davon die Rede, daß der Einsatz von Metallen mit hohem Schmelzpunkt und hoher Warmfestigkeit in stets steigendem Maße in der Entwicklung vorzugsweise der Raketentechnik der Hochtemperaturöfen, der Elektronenröhren und der hochbelastbaren Röntgenröhren notwendig ist.

In der AT-PS 2 31581 ist eine Drehanode für Röntgenröhren beschrieben, die entweder nur aus M Wolfram oder einer Wolframlegierung besteht, die Legierungszusätze eines oder mehrerer anderer hochschmelzender Metalle, vorzugsweise Rhenium, Tantal, Niob oder Molybdän enthalten kann. Somit ist die in dieser PS beschriebene Legierung offensichtlich eine solche mit Wolfram als Hauptbestandteil und ggf. Molybdän als untergeordnetem Bestandteil, wobei die obige AT-PS überhaupt keine Wolframlegierung konkret angibt.

Die Gewebemenge der weiblichen Brust, durch die f>o Röntgenstrahlen hindurchgehen, ist im allgemeinen sehr viel geringer als bei anderen Körperteilen. Da in der Brust keine Knochen vorhanden sind, ist es nicht erforderlich und es ist auch nicht erwünscht, einen so energiereichen Strahl zum Durchdringen der Brust b5 anzuwenden wie für Knochengewebe. Daher ist es im Bereich der diagnostischen Mammographie im allgemeinen erwünscht, geringere Spannungen, verglichen mit üblichen diagnostischen Röntgenstrahltechniken, anzuwenden. Die Verwendung geringerer Enei gie führt zu einem größeren Kontrast zwischen Fett und weichem Gewebe und es ist gerade ein solcher Konhast, der zur Erreichung eines optimalen Mammogramms erforderlich ist

Die meisten medizinischen diagnostischen Röntgenstrahltechnjken verwenden große Mengen sogenannter »harter« Strahlung, d. h. einer Röntgenstrahlung, die eine größere Durchdringungskraft hat als sogenannte »weiche« Röntgenstrahlung. Für solche Anwendungen ist Wolfram ein ideales Anoden-Target, in erster Linie wegen seiner hohen Atomzahl und seines hohen Schmelzpunktes. Um jedoch diese harte Strahlung zu erhalten und die für Wolfram charakteristischen Κα,- und ^-Linien anzuregen, sind mindestens 70 kV Spannung erforderlich.

Die Mammographie als eine spezielle medizinische Diagnosetechnik erfordert spezielle Techniken der Bestrahlung, der Bestrahlungszeit und eine außergewöhnliche Röntgenfilmqualität und Detailwiedergabe. Die Anwendung geringerer Spannungen ist ein Mittel, um die in der Mammographie erforderliche feine Filmqualität und Detailwiedergabe zu erreichen. Bei Anwendung harter Röntgenstrahlung wird die diagnostische Qualität des bestrahlten Films wegen der kostspieligen Kontrastverringerung stark verringert

Das kontinuierliche und charakteristische Röntgenstrahlspektrum der meisten Metalle und Materialien ist bekannt. Die charakteristischen Linien eines Target-Materials werden bei einer bestimmten Minimalspannung angeregt. Die für die Erzeugung des charakteristischen Spektrums erforderliche Spannung ändert sich regelmäßig mit der Atomnummer des Metalls. Verglichen mit der charakteristischen Wolfram-K<x-Linie wird die charakteristische Molybdän-K^Linie bei einer Minimalspannung von 20 kV angeregt.

Die Verwendung von Molybdän anstelle von Wolfram für die Mammographie ist daher vorteilhaft, da man bereits bei geringeren Spannungen die intensive charakteristische Molybdänstrahlung erhält, die bei diesen Spannungen bei Wolfram nicht angeregt werden kann.

Entsprechend den mammographischen Techniken ist es im allgemeinen erforderlich, eine relativ große Zahl von Milliampere-Sekunden (nachfolgend mAs genannt) für die Bestrahlung anzuwenden. In Abhängigkeit von der Größe der Brust kann die angewendete mAs-Zahl von einigen hundert mAs bis über 1000 mAs variieren. In Anbetracht der hohen mAs-Werte ist es im allgemeinen sehr erwünscht, die Röntgenröhre beim Maximalstrom zu betreiben, um die Bestrahlungszeiten der Patientin so kurz wie möglich zu halten.

Wegen der in der Mammographie angewendeten hohen mAs-Zahlen ist die Oberfläche eines Molybdän-Targets durch die Elektronen schweren mechanischen Belastungen ausgesetzt. Diese mechanischen Belastungen führen zu Oberflächenbrüchen in der Brennspur des Targetbereiches. Die Deformation der Targetoberfläche, die durch die Brüche verursacht wird, führt zu einem merklichen Abfall der ausgesandten Röntgenstrahlintensität, da die Wahrscheinlichkeit, daß ein Röntgenphoton aus dem Target entweichen wird, für eine rauhe Targetoberfläche merklich geringer ist als für eine glatte Oberfläche. Die Anfälligkeit eines Molybdän-Targets für Oberflächenbrüche im Brennspurbereich ist größer als die des Wolframs.

Die Metallurgen haben auf verschiedene Weise

versucht, das Problem der Oberflächenbrüche von Röntgenstrahl-Targets zu lösen.

So ist in der US-PS 36 50 846 ein Verfahren zum Wiederherstellen der Kornstruktur von hochschmelzenden Metallen beschrieben, bei dem die Übergangstemperatur von der Duktilität zur Brüchigkeit verringert wird, wodurch die Tendenz zu Oberflächenbrüchen unter mechanischen Belastungen, wie sie durch die Anwendung hoher mAs und ähnlichem verursacht werden, vermindert wird.

Wegeii der mit der Anwendung eines Molybdän-Targets für die Mammographie verbundenen Vorteile wäre es 'on großem Vorteil wenn man die Gebrauchsdauer von Molybdän-Targets verlängern könnte.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Anode für eine Röntgenröhre aus einer Wolfram und Molybdän enthaltenden Legierung zu schaffen, die für mammografische Anwendungen brauchbar ist und über eine ausreichende Lebensdauer verfügt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens das Target der Anode aus einer Legierung aus etwa 70Gew.-% Molybdän und etwa 30 Gew.-% Wolfram besteht.

Wird diese Legierung bei niedrigen Spannungen eingesetzt, ergibt sie das kontinuierliche und charakteristische Molybdän-Röntgenspektrum. Die Legierung weist, verglichen mit einem reinen Molybdän-Target unerwarteterweise verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Duktilität bei geringen Temperaturen, der Beständigkeit gegen thermische Ermüdung und eine erhöhte Festigkeit bei hohen Temperaturen auf.

Die Legierung ist, verglichen mit Molybdän, eine feste Lösung mit hervorragender Festigkeit, sowohl bei Zimmer- als auch bei erhöhten Temperaturen. Die ji Korngröße ist geringer, verglichen mit reinem Molybdän und die Atome der Legierung liegen in der festen Lösung mehr in Gruppen als in einer kurz aufeinanderfolgenden Reihe von Atomen vor.

Ein Verfestigen der festen Lösung, insbesondere bei ίο erhöhten Temperaturen, ist von Bedeutung, da die für die Mammographie erforderlichen Bestrahlungen relativ lange dauern. Dieses Verfestigen macht die Anode beständiger gegen Hochtemperaturermüdung, während sie dem Aufprall hoch-energiereicher Elektronen ■*> ausgesetzt ist.

Die Verminderung der Korngröße führt zu einer geringeren Temperatur des Übergangs von Duktilität zu Brüchigkeit und ergibt eine größere Duktilität bei und oberhalb von Raumtemperatur, wenn der Elektro- > <> nenstrahl auf das anfänglich kalte Target der Anode auftrifft. Eine eingehendere Erläuterung der Temperatur des Übergangs von Duktilität zu Brüchigkeit kann der US-PS 36 50 846 entnommen werden. Die Verringerung der Temperatur des Übergangs von Duktilität zu ·ν> Brüchigkeit führt zu einer beträchtlichen Verringerung der Oberflächenbrüche der Anode und insbesondere des Targetbereiches. Die Vermeidung von Brüchen ist sehr erwünscht, da solche Brüche eine merkliche Verringerung der abgegebenen Röntgenstrahlintensität verursachen.

Die gruppenweise Anordnung von Atomen ist erwünschter als eine Anordnung in kurzen Absländen, da die Legierung im ersteren Falle eine erhöhte Festigkeit bei hohen Temperaturen durch Verfestigung des Gelösten und durch Schaffung einer verbesserten Dislokations-Beweglichkeit zeigt und demgemäß eine erhöhte Duktilität bei geringen Temperaturen, da die Anhäufung des Gelösten eine Entfernung der Zwischengitterelemente aus der Matrix verursacht. D. h. die erhöhte Duktilität ist ein direktes Ergebnis der verminderten Zwischengittereiemente innerhalb der Körner (besonders Kohlenstoff und Sauerstoff), die bekannterweise die Temperatur des Übergangs von der Duktilität zur Brüchigkeit drastisch erhöhen.

Es ist nicht erforderlich, daß die gesamte Anode aus der Molybdän/Wolfram-Legierung besteht. Sc kann z. B., wie in rotierenden Anoden, mindestens der Targetbereich oder die Brennspur im wesentlichen aus der erfindungsgemäß verwendeten Legierung bestehen, während die Basis andere geeignete Materialien, wie Wolfram, Molybdän und ähnliche, umfassen kann.

Die Verfahren zur Herstellung von Anoden für Röntgenröhren sind bekannt und bedürfen daher keiner ausführlichen Erörterung.

Die erfindungsgemäße Anode wird für eine Röntgenröhre geschaffen, die angepaßt ist für Mammographieanwendungen und die einen metallischen Anodenkörper umfaßt mit einem ungeschützten Targetbereich sowie einer Einrichtung, wie einer Kathode, zur Erzeugung eines Elektronenstrahls für das Aufprallen auf den Targetbereich unter Erzeugung geeigneter Röntgenstrahlen für diagnostische Mammographie.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung in relativen Einheiten, aufgetragen gegen die Zahl der Bestrahlungen in Tausend und

Fig.2 ebenfalls eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung der Röntgenröhre in relativen Einheiten gegen die Zahl der Bestrahlungen in Tausend.

Beispiel 1

Ein reines Molybdän-Target wurde kontinuierlich einem Elektronenstrahl ausgesetzt, um eine Röntgenstrahlung für mammographische Anwendungen unter den folgenden Bedingungen zu erzeugen: 40 kV Spitzenspannung, 300 mA und 2,5 Sekunden dauernde Bestrahlungen (Kurve B).

Es wurden zwei Bestrahlu igen/Minute durchgeführt und dabei 60 000 Wärmeeinheiten/Minute erzeugt. Die Zahl der Wärmeeinheiten/Minute (nachfolgend H genannt) ist definiert als das Produkt der Spitzenspannung in kV, die zwischen Anode und Kathode angelegt wurde (nachfolgend kVp genannt), des Stromes in mA, der Bestrahlungszeit t und der Zahl η der Bestrahlungen/Minute während einer Erprobung.

H = (kVp) ■ (mA) ■ (t) ■ (n).

Ein Molybdän/Wolfram-Legierungs-Target, das im wesentlichen aus 70% Molybdän und 30% Wolfram bestand, wurde unter den gleichen Bedingungen bestrahlt (Kurvet/

Die Ergebnisse der Bestrahlungsdattn dieses Beispiels sind in F i g. 1 aufgetragen. Die Daten der Röntgenstrahlen-Ausgangsleistung sind aufgetragen in %, auf die sie sich von dem ursprünglichen Röntgenwert/Minute verringerte, gegen die Zahl der Bestrah-'iingen, die mit der Röhre während der Erprobung durchgeführt wurden. In allen Fällen wurden die Daten unter Verwendung eines Filters erhalten, das 0,5 mm Aluminium äquivalent war, da ein solches Filter im allgemeinen bei allen mammographischen Anwendungen eingesetzt wird.

Beispiel 2

Ein reines Molybdän-Target wurde kontinuierlich einem Elektronenstrahl ausgesetzt, um eine Röntgenstrahlung für mammographisehe Anwendungen unter -, den folgenden Bedingungen zu erzeugen: 40 kV Spitzenspannung, 300 niA, 2,5 Sekunden dauernde Bestrahlungen (Kurve B). Es wurde eine Bestrahlung/ Minute ausgeführt und dabei 30 000 Wärmeeinheiten/ Minute erzeugt.

Ein Molybdän/Wolfrani-Legierungs-Target, das im wesentlichen aus 70% Molybdän und 30% Wolfram bestand, wurde unter den gleichen Bedingungen bestrahlt (Kurve A).

Die Strahlungsergebnisse dieses Beispiels sind (in r, gleicher Weise wie die von Beispiel 1) in der Fig. 2 aufgetragen. Wie in Beispiel 1 wurde ein Filter verwendet, das 0,5 mm Aluminium äquivalent war.

Wie den Fig. 1 und 2 entnommen werden kann, verschlechterte sich die Ausgangsleistung des Molybdän-Targets rasch. Bei einer Energiezuführung von 60 000 Wärmeeinheiten/Minute (Fig. 1) verschlechterte sich die Ausgangsleistung des reinen Molybdän-Targets nach 3500 Bestrahlungen auf 45% (Kurve B) der ursprünglichen Strahlungsleistung, während das aus der Molybdän/Wolfram-Legierung hergestellte Target (Kurve A)die Verminderung auf 45% der Ausgangsleistung erst nach 9500 Bestrahlungen erreichte. Nach dem Erreichen des 45%-Levels hörte die Entstehung von Brüchen des Target-Legierungsmaterials auf und das m Legierungs-Target erzeugte weiter bis zu 20 000 Bestrahlungen eine brauchbare Strahlung. Das Molybdän-Target dagegen erlitt eine weitere Verminderung der Ausgangsleistung, bis nach 20 000 Bestrahlungen nur noch 20% des ursprünglichen Strahlungsleistungs-Niveaus erreicht waren.

Bei den Targets, die einer Energieaufnahme von 30 000 Wärmeeinheiten/Minute (Fig. 2) ausgesetzt waren, verminderte sich die Ausgangsleistung des reinen Molybdän-Targets am Anfang nicht so rasch, wie bei dem Molybdän-Target, das einer Eingangsleistung von 60 000 Wärmeeinheiten ausgesetzt war. Nach 3600 Bestrahlungen (Kurve B) war die Ausgangsleistung des Molybdän-Targets auf 60% des ursprünglichen Niveaus abgesunken und verschlechterte sich danach rasch weiter. Das Legierungs-Target (Kurve A) zeigte eine Verminderung bis zum 60%-Level der Ausgangsleistung erst nach .12 200 Bestrahlungen und erzeugte auch danach weiter eine brauchbare Strahlung.

Bei einer gründlichen Untersuchung der Molybdän-Targets wurde festgestellt, daß diese Targets schwere und tiefe Oberflächenbrüche in den Targetbereichen aufwiesen, die kontinuierlich durch die durch den Elektronenstrahl verursachte thermische Belastung erzeugt worden waren. Die Verminderung der Röntgenstrahlung ist darauf zurückzuführen, daß Röntgenstrahlen, die in den durch die Brüche entstandenen Rissen erzeugt werden, in dem Riß absorbiert werden und auf diese Weise nicht den Patienten und den Film erreichen.

Unerwarteterweise verbessert das Legieren von Molybdän mit Wolfram die Duktilität bei geringer Temperatur, erhöht die Festigkeit bei hoher Temperatur und verbessert dadurch die mammographischen Anwendungen, wie anhand der F i g. 1 und 2 ersichtlich. Dies ergibt sich aus einem Vergleich der Fi g. 1 und 2. Das einer Eingangsleistung von 30 000 Wärmeeinheiten/Minute ausgesetzte Molybdän-Target verschlechterte sich mit einer konstanteren Geschwindigkeit als das einer Eingangsleistung von 60 000 Wärmeeinheiten/ Minute ausgesetzte Molybdän-Target. Die konstantere Verschlechterungsgeschwindigkeit des erstgenannten Targets ist offensichtlich das Ergebnis der größeren Belastungen aufgrund der längeren Abkühlzeiten zwischen den Bestrahlungen. Das Legierungs-Target, das einer Eingangsleistung von 30 000 Wärmeeinheiten/ Minute ausgesetzt war, verschlechterte sich anfangs rascher als das Legierungs-Target, das 60 000 Wärmeeinheiten/Minute ausgesetzt war, doch flachte die Verschlechterungsgeschwindigkeit des erstgenannten Legierungs-Targets bei einer höheren prozentualen Ausgangsleistung ab.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anode für eine Röntgenröhre

   — aus einer Wolfram und Molybdän enthaltenden Legierung

   dadurch gekennzeichnet, daß

   — mindestens das Target der Anode ι ο

   — aus einer Legierung aus etwa 7C Gew.-°/o Molybdän und etwa 30Gew.-% Wolfram besteht.