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ROTLERENDE ANODE FÜR HOCHLEISTUNGSRÖNTGENRÖHREN UND VERFAHREN ZU
LHRER HERSTELLUNG Die Erfindung bezieht sich auf die Röntgentechnik und genauer
auf rotierende Anoden für diagnostische Hochleistungsröntgenröhren und auf Verfahren
zu deren Herstellung.
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Das Erhöhen der Intensität der i:lektronenbeschießung der wirksamen
Anodenoberfläche, das mit der Vergrößerung der Röntgenröhrenleistung verbunden ist,
führte zum Anwachsen der Rotationsgeschwindigkeit der Anode bis auf 9000 U/min-und
machte das Verwenden von @ateriall@@ erforderlich, die eine größere Wärmekapazität
und Wärmcbeständigkeit bei thermischen Zyklen mit großer Amplitude sowie eine geringere
Wichte im Vergleich zu Wolfram, welches früher für Röntgenröhren mit geringer Leistung
verwendet wurde, besitzen.
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In diesem Zusammenhang wurden kombinierte Bimetallanoden vorgesch.
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lagen die eine weitgehende Verwendung fanden, wobei als Material für
den Grundkörper dieser Anoden Molybdän oder Legierungen auf Molybdänbasis verwendet
werden, während das Material der oberen Wirkschicht, welche der Elektronenbeschießung
ausgesetzt ist, aus Wolfram oder aus Rhenium enthaltenden Wolframle,ierungen besteht.
Hierbei sind Anoden weitbekannt, bei denen die Wirkschicht aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung
besteht, welche eine konstante Zusammensetzung in der ganzen Wirkschichtdicke hat.
Es sind auch Anoden bekannt, bei denen sich der Wolfram- und Rheniumgehalt um so
mehr vermindert,
Je weiter die betrachtete Stelle von der Anodenoberfläche
entfernt ist, während der Molybi@@genalt umgekehrt zunimmt, bis er seinen Höchstwert
im Material des Anodengrundkörpers erreicht (s. beispielsweise Anode gemäß dem DDR--Patent
Nr. 82171, k1.21g, 17/02). Die obenerwähnten Bimetallanoden werden nach pulvermetallurgischen
Verfahren erzeugt.
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Der Eauptnacheeil der bekannten Bimetallanoden besteht in deren kurzer
Lebensdauer, In der Regel halten solche Anoden nicht mehr als 15000 Sinschaltungen
aus. In der Praxis erfolgen während des Betriebseinsatzes der Anode nach dem Erreichen
der erwähnten Einschaltungszahl Abblättern der Anode, Zerstören der Oberflächenschicht,
Verformen der Anode und auch Vermindern des Betriebsvakuums.
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Das Abblättern der Anode ist auf eine ungenügend feste Haftung zwischen
den Metallen der Wirkschicht und des Grundkörpers zurückzuführen, f Die schlechte
Hatung ihrerseits sowie auch die schnelle Zerstörung der Wirkschicht, die Verformung
der Anode u.a.
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sind eine Folge des pulvermetallurgischen Verfahrens, welches bei
der Anodeherstellung verwendet wurde. Dieses Verfahren ist deshalb nachteilig, weil
dabei das Vorhandensein von Gas-und Metalleinschitissen im Grundkörper der Anode
und in der Anodenwirkschicht unvermeidlich ist.
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Unter metallischen Beimengungen werden hier Metalle mit verhältnismäßig
niedrigerer Schmelztemperatur verstanden.
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Während des Betriebseinsatzes der Anode werden unter dem Einfluß hoher
Temperaturen die obenerwähnten Beimengungen stürmisch verdampft, was natürlich,
wie oben dargelegt wurde, schnelles Zerstören der Anode zur Folge hat.
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Es war das Ziel der Erfindung, die Nachteile bekannter rotierender
Anode die in Hochleistungsröntgenröhren verrendet werden, zu beseitigen.
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Der BrSindung lag die Aufgabe zugrunde, eine neue Bimetallanode für
Hochistungsröntgenröhren zu schaffen und auch ein solches Verfahren zur Anodenherstellung
zu entwickeln, daß Anoden erhalten werden, deren Betriebseigerschaften sich auf
dem erforderlichen Niveau befinden.
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Die gestellte Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß die rotierende Anode
für Hochleistungsröntgenröhren, welche aus Molybdän oder Legierungen auf Molybdänbasis
hergestellt ist und bei welcher die der Elektronenbeschießung ausgesetzte Oberfläche
mit einer Wolfram-Rhenium-Legierung bedeckt ist, deren Zusammensetzung sich derartig
ändert, daß sich der Rheniumgehalt vermindert und der Molybdängehalt steigt, je
weiter die betrachtete Stelle innerhalb der Anode von deren Oberfläche entfernt
ist, erfindungsgemäß aus geschmolzenen Molybdän oder einer Legierung auf Molybdänbasis
hergestellt -ist, während die aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung bestehende Schicht
durch Aufschmelzen erzeugt wird.
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Dabei befindet sich auf der Oberfläche des Überzugs der aus Wolfram-Rhenium-Legierung
eine Schicht, die eine konstante Rheniummenge enthält.
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der Die Dicke der Schicht aus Wolfram-Rhenium-Legierung, in der die
Fheniummenge konstant ist, kann 0,2 bis 0,5 mm betragen, wobei die Gesamtdicke des
Uberzugs mindestens 0,7 mm beträgt~ Entsprechend den obigen Darlegungen besteht
das Verfahren darin; daß der Anodenrohling durch Schmelzen im Vakuum oder in einer
inerten Atmosphäre erhalten wird, während der Uberzug aus Wolfram-Rhenium-Legierung
durch schichtweises Aufschmelzen im Vakuum oder in einem Medium aus inerten Gasen
erzeugt wird.
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Dabei wird die Wolfram-Rhenium-Legierung in einzelnen, mindestens
0,2 mm dicken Schichten aufgeschmolzen.
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Nachstehend wird eine z @@ Ausführungsform der Brfindung ausführlich
beschrieben, die durch eine Zeichnung veranschau licht wird, auf der eine erfindungsgemäß
ausgeführte Anode abgebildet ist (räumliche Darstellung mit Teilausschnitt).
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Die Anode besteht aus einem Grundkörper 1 und aus einem Überzug 2,
welcher aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung gefertigt und auf die Anodenoberfläche,
die der Elektronenbeschießung ausgesetzt ist, aufgetragen wird.
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Es empfiehlt sich, den Überzug 2, um teueres Rhenium zu sparen, nur
in der Breite der Brennfleckbahn, die vom Kathodenstrahl bestrichen wird, aufzutragen.
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Der Anodengrundkörper 1 wird aus schweißbarem Molybdän oder aus schweißbaren
Legierungen auf Molybdänbasis hergestellt. Unter dem Ausdruck "schweißbar" wird
ein solches Molybdän oder eine solche Molybdänlegierung verstanden, welche nach
dem Schmelzen und dem darauffolgenden Erstarren ,-;i plastisch blbt.
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Als schweißbare Molybdänlegierung kann eine in der Tachnik weitbekannte
Legierung folgender Zusammensetzung (in Massenprozent) verwendet werden: Zirkonium
- O.15. 0.25, Kohlenstoff - 0.01...0,06, Nickel - 0,03...0,06, Rest Molybdän. Es
kann auch eine beliebige andere, bekannte, schweißbare Molybdänlegierung verwendet
werden.
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Das schweißbare Molybdän kann durch intensives zonales Reinigen von
nichtschweißbarem Ausgangsmolybdäns erhalten werden.
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Der Rohling für den Anodengrundkörper 1 wird durch Schmelzen im Vakuun
erzeugt, um das Metall weitgehendst von Gas- und Metallbeimengungen zu reinigen.
Anstelle des Vakuums kann ein Medium aus inerten Gasen verwendet werden.
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Der erschmolzene Rohling wird gewalzt und geformt wobei der Anodengrundkörper
1 erhalten wird. Hiernach wird auf die Oberfläche des Grundkörpers 1, welche der
Einwirkung des Kathodenstrahls ausgesetzt ist, ein wirksamer Überzug aus einer Wolfream-Rhenium-Legierung
aufgetragen.
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In der Praxis besteht der wirksame Überzug aus zwei Schichten, vobeieine
0,2 bis 0,5 mm dicke Außenschicht 3 durch - praktisch konstanten Rheniumgehalt gekennzeichnet
wird. Es ist unvorteil haft, die Dicke geUrßsenchicht 3 Uber den angegebenen Bereich
hinaus zu vermindern oder zu vergrößern. Das Vermindern der Schicht 3 kann zum Auftreten
von Molybdän an der Anodenoberfläche und als Folge hiervon zur Verschlechterung
der Betriebscharakteristiken der Anode und zwar zum Vermindern der Röntgenstrahlungsleistung
führen.
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Das Vergrößern der Schichtdicke hat einen ungerechtfertigten Aufwand
an teuerem Metall (Rhenium) zur Folge.
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die Zwischen Die - zweite Schicht, nämlich schicht 4, ist eine Zwischen-Außen
schicht zwischen der Außen Schicht 3 und dem Anodengrundkörper 1.
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Diese Zwischen schicht hat eine Mindestdicke von 0,5 mm. Beim Vermindern
ihrer Dicke wird die Haftung zwischen den Metallen des Grundkörpers n und des wirksamen
Überzugs 2 vermindert. Gleichzeitig steigt auch das Eigenspannungsniveau in der
Verbindungszone der ungleichartigen Metalle schroff an.
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Die Zwischenschicht 4 hat eine sich in Dickenrichtung ändernde Zusammensetzung,
wobei der Rheniumgehalt geringer wird und der Molybdängehalt steigt, je weiter die
betrachtete Stelle innerhalb der Anode von der Außen~Schicht 3 entfernt ist. Hierbei
ändert sich der Rheniumgehalt so, daß er -zuerst einen Höchstwert hat, welcher dem
Rheniumgehalt in der Außen Schicht 3 entspricht, und dann einen Mindestwert besitzt,
welcher
gleich den Spuren dieses Metalls im Grundkörper 1 ist. In demselben Maße vermindert
sich der Molybdängehalt in Richtung der t Außen Schicht 3.
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Die Gesamtdicke des wirksamen Überzugs 2 besteht aus der Summe der
Dicken der beiden Schichten 3 und 4. Es empfiehlt sich, die Gesamtdicke des Überzugs
2 mindestens gleich 0,7 mm zu nehmen. Eine mehr als 1,3 mm große Gesamtdicke des
wirksamen Überzugs 2 ist unzweckmäßig, da dies, wie oben erwähnt, zu einem ungerechtfertigten
Aufwand an Rhenium führt.
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Eine geringere Dicke verschlechtert ebenfalls analog den obigen Angaben
die Anodenqualität.
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Der Überzug 2 wird durch schichtweises Aufschmelzen einer Wolfram-Rhenium-Legierung
auf die entsprechende Oberfläche des Anodengrundkörpers 1 erzeugt. Es werden Schichten,
Jede mit 0,2 mm Mindestdicka auSgeschmolzen, Beim Aufschmelzen von Schichten, welche
dünner als 0,2 mm sind, dringt das Molybdän bei einer Gesamtdicke des Überzugs 2
von höchstens 1,3 mm an die wirksame Anodenoberfläche durch.
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Das Aufschmelzen wird auch im Vakuum oder in einem Medium aus inerten
Gasen durchgeführt. Die Gründe hierfür sind analog denen1 welche für das Erschmelzen
des Anodenrohlings angeführt worden sind.
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Die Schichten werden in Form von Ringnähten, deren Breite der Brennfleckbahn
der Anode entspricht, im Elektronenstrahl-,
Argonar Autragsschweiß-
oder Plasmaverfahren aufgeschmolzen.
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Die Anode wird im voraus auf eine Temperatur von 1000 bis 1500°C,
beispielsweise durch einen defokussierten Elektronenstrahl oder nach einem andern
belKanaten Verfahren erhitzt.
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Hierbei wird die Oberflächenschicht der Molybdänlegierung zum Schmelzen
gebracht, damit sich die ungleichartigen Metalle besser verbinde@ Die erste, 0,2
bis 0,5 mm dicke Schicht der Wolfram--Rhenium-Legierung gewährleistet ein gutes
Verschmelzen der Metalle unter Bildung von Legierungen der Molybdän-Wolfram-Rheniungattung
mit wechselnder Zusammensetzung. Die zweite Schicht und eventuell die nachfolgenden
Schichten mit 0,3 in Form der Außenschicht bis 0,5 mm Gesamtdicke bilden die AnodenwirkschichS
3 mit konstanter Zusammensetzung, die für die Betriebscharakteristiken des Erzeugnisses
ausschlaggebend ist.
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Die auf diese Weise erzeugten Anoden sind durch hohe Zuverlässigkeit
und einen langen Betriebseinsatz gekennzeichnet. Versuche haben gezeigt, daß sie
mehr als 20000 Einschaltungen aushalten sowie sich durch außerordentlich geringen
Gehalt an Gas- und Metallbeimengungen auszeichnen. Hierdurch ist es möglich, eine
Reihe von teuren und langwierigen Arbeitsgängen zum Entgasen des Erzeugnisses vcr
der Montage der Röntgenröhre zu vermeiden.
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Der wirksame Überzug kann mittels Wolfram-Rhenium-Legierungen beliebiger
bekannter Zusammensetzungen, welche
friiher zum Erzeugen des wirksamen
Anodenüberzugs verwendet worden sind, aufgeschmolen werden.
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Nachstehend werden Beispiele von Anoden und Betriebscharackteristi
ken derselben angeführt.
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Anode Nr. 1 Dia Gesamtdicke des Überzugs aus Wolfram-Rhenium-LegierurE
beträgt 1 mm, Die Außenschicht mit konstantem, 27%igem Rheniumgehalt ist 0,3 mm
dick. Die Dicke der Zwischenschicht zwischen der Wo lfram-Rhenium-Legierung mit
konstantem Rheniumgehalt und dem Anodengrundkörper beträgt 0,7 mm.
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Diese Schicht wird dadurch gekennzeichnet, daß sich ihr Molybdängehalt
bis zum vollkommenen Verschwinden an der Oberflächenschicht vermindert und daß sich
der in der Oberflächenschicht 27% betragende Rheniumgehalt bis auf Rheniumspuren
im Anodengrundkörper vermindert.
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Die Anode wurde durch schichtweises Auschmelzen der Wolfram-Rhenium-Legierung,
, welche 27% Rhenium enthält, auf die entsprechende Oberfläche ihres Grundkörpers
hergestellt.
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Letzerer wurde durch Erschmelzen(im Vakuum) aus einer Schweißbaren
Molybdänlegierung'/'erzeugt, deren Zusammensetzung im allgemeinen Teil der BeEchreibung
angegeben ist.
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Es wurden 0,3 bis 0,4 mm dicke Schichten aufgeschweißt.
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Die Anode wurde 28000mal bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 9000
U/min und bei ca. 1700 0C Betriebstemperatur eingeschaltet.
Praktisch
traten keine Änderungen der Betriebseigenschaften der Anode auf.
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Anode Nr. 2 der Die Gesamtdicke de@ @berzugs aus Wolfram-Rhenium-Legierung
beträgt 0,9 mm.
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Die Außenschicht mit konstantem, 20,1%igem Rheniumgehalt ist 0,3
mm dick.
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Die Dicke der Zwischenschicht ist analog der im ersten Beispiel angegebenen
und beträgt 0,6 mm.
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Der Überzug wurde in 0,3 bis 0,4 mm dicken Schichten auf den Grundkörper
aufgeschmolzen. Die Herstellung und die Zusammensetzung des letzteren entsprechen
dem ersten Beispiel.
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Die Anode wurde 22000mal bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 9000
U/min und bei 1700°C Betriebstemperatur eingeschaltet.
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Praktisch traten keine Verschlechterungen der Anodenqualität auf.