DE2400717B2 - Röntgenröhrendrehanode und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Röntgenröhrendrehanode nach dem Oberbegrilf des Anspruchs 1 und auf Verfahren zu deren Herstellung.

Aus der DE-OS 22 12 058 ist eine Drehanode für Röntgenröhren, bestehend aus einem geschichteten und sintergepreßten Anodenkörper aus schwerschmelzbarem Material bekannt, wobei wenigstens die von Elektronen beaufschlagte Oberflächenschicht eine röntgenaktive Schicht aus einer Wolframlegierung ist, bei der der Anodenkörper unterhalb der röntgenaktiven ersten Schicht zwei weitere Schichten aufweist, wobei die zweite Schicht aus Reinwolfram oder einer hochwolframhaltigen Wolframlegierung mit wenigstens 70 Gew.% und die darunterliegende dritte Schicht aus einer Molybdänschicht besteht, wobei die röntgcnaktive Schicht 0,05 bis I mm dick sein soll und aus einer Wolframlegierung mit 3 bis 20, vorzugsweise 5 bis 15 Gew.% wenigstens eines der Metalle Zirkon, Hafnium, Niob, Tantal, Rhenium, Osmium oder Iridium als Legierungselement bestehen kann. Mit der dabei vorgesehenen Herstellung der Röntgendrehanode mittels der bekannten pulvermetallurgischen Technik durch Verdichten dreier übereinandergeschichteter Pulverschichten zu einem kanienfesten Preßkörper und dessen Sinterung in Wasserstoffatmosphäre oder im Vakuum werden selbst, wenn eine anschließende Warm Verdichtung bei Temperaturen zwischen 1400 und 1800⁰C erfolgt, Sinterteile erhalten, die unvermeidlich Gas- und Metalleinschlüsse aufweisen, die der Lebensdauer und dem Vakuum in der Röntgenröhre nachteilig sind und ein schnelles Zerstören der Anode zur Folge haben.

Aus der DE-OS 21 08192 ist eine Anode für Hochleistungs-Röntgenröhren mit einer Brennfläche aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung bekannt, die gekennzeichnet ist durch eine entlang des Axialschnitts der Anode stetig veränderte Zusammensetzung derart, daß die Brennfläche die Maximalwerte für Wolfram und Rhenium und der Schaft den Maximalwert für Molybdän aufweist, sowie durch einen Gehalt an 0,01 bis 1 Gew.% Bor. Bei einer derartigen Röntgenröhre kommt im Betrieb das Molybdän leicht an die Oberfläche, was sich nachteilig auf die Röntgeneigenschaften durch Verminderung der Röntgenstrahlleistung auswirkt.

In der DE-AS 10 11533 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Anstichfestigkeit von Röntgenröhrenanoden aus hochschmelzenden gesinterten Metallen bekannt, bei dem die Anode während der Herstellung der Röhre oberflächlich zum Schmelzen gebracht und damit die Anodenoberfläche infolge der beim Erstarren wirksam werdenden Kohäsionskräfte verdichtet werden soll. Damit wird zwar eine gewisse Verdichtung einer dünnen Oberflächenschicht erreicht, die Nachteile der Verwendung eines hochwärmebelasteten Sinterkörpers, die in der durch die Freisetzung von Gasen porigen Struktur bestehen, bleiben jedoch erhalten.

Die DE-OS 15 21 576 betrifft schließlich ein Verfahren zum Herstei^n eines Verbundwerkstoffes für thermisch hochbelastbare Elektroden, insbesondere Drehanoden für Röntgenröhren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß auf ein hochschmelzendes Metall vorzugsweise Mofybdän, als Grundmetall höherschmelzendes Metall, vorzugsweise Wolfram, mittels Plasmastrahl aufgetragen wird. An der Grenzschicht der unterschiedlichen Metalle kann es dabei leicht zu inneren Spannungen und damit zur Ablösung kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgendrehanode anzugeben, die durch einen bestimmten mehrschichtigen Aufbau über Zehnlausendc von Belastungen ihre Betriebseigenschaften gut beibehält.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale.

Vorteilhafte Verfahren zur Herstellung einer solchen Rönlgenröhrendrehanode sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in der eine erfindungsgemäßc Röntgenröhrendrehanode in perspektivischer Ansicht teilweise geschnitten dargestellt ist, näher erläutert. Die Anode besteht aus einem Grundkörper 1 und einem Auftrag 2, der aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung gefertigt und auf die Anodenoberfläche, die einem Elektronenbeschuß ausgesetzt ist, aufgetragen wird.

Es empfiehlt sich, den Auftrag 2 um teures Rhenium zu sparen, nur in der Breite der Brennfleckbahn, die vom Kathodenstrahl bestrichen wird, aufzutragen. Der Grundkörper 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 palstisch bleibt.

Als schweißbare Molybdänlegierung kann eine in der Technik gut bekannte Legierung folgender Zusammensetzung (in Massenprozent) verwendet werden: Zirkonium 0,15-0.25, Kohlenstoff 0,01-0,06, Nickel 0,3—0,06, Rest Molybdän. Fs kann auch eine beliebige

andere, bekannte, schweiübare Molybdänlegierung verwendet werden. Das schweißbare Molybdän kann durch intensives zonales Reinigen vun nichi .chweißburem Ausgangsmolybdän erhallen werden.

Der Rohling für den Grundkörper I wird durch Schmelzen im Vakuum erzeugt, um das Metall weitgehendst von Gas- und Metallbeimengungen zu reinigen. Anstelle von Vakuum kann ein Medium aus inerten Gasen verwendet werden.

Der erschmolzene Rohling wird gewalzt und geformt wobei der Grundkörper 1 erhalten wird. Hiernach wird auf die Oberfläche des Grundkörpers 1, welche der Einwirkung des Kathodenstrahls ausgesetzt ist, ein Auftrag 2 aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung aufgetragen. Dieser besteht aus zwei Schichten, wobei eine die 0,2 bis 0,5 mm dicke äußere Schicht 3 mit praktisch konstantem Rheniumgehalt ist. Es ist unvorteilhaft, die Dicke der äußeren Schicht 3 über den angegebenen Bereich hinaus zu vermindern oder zu vergrößern. Das Vermindern der äußeren Schicht 2 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. Das Vergrößern der Schichtdicke hat einen ungerechtfertigten Aufwand an teurem Metall (Rhenium) zur Folge.

Die andere Schicht, die Zwischenschicht 4, ist eine Zwischenschicht zwischen der äußeren Schicht 3 und dem Grundkörper 1. Diese Zwischenschicht 4 hat eine Mindestdicke von 0,5 mm. Beim Vermindern ihrer Dicke wird die Haftung zwischen den Metallen des Grundkörpers 1 und der aufgetragenen Schichten vermindert. Gleichzeitig steigt auch das Eigenspannungsniveau in der Verbindungszone der ungleichartigen Metalle stark an. J5

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 äußeren Schicht 3 entfernt ist. Hierbei ändert sich der Rhcniumgehalt so, daß er zuerst einen Höchstwert hat, welcher dem Rheniumgchalt in der äußeren 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 zur äußeren Schieb' 3.

Die Gesamtdicke der beiden Schichten 3 und 4 sollte mindestens 0,7 mm betragen. Eine mehr als 1,3 mm große Gesamtdicke ist unzweckmäßig, da dies, wie oben erwähnt, zu einem ungerechtfertigten Aufwand an Rhenium führt.

Eine geringe Dicke verschlechtert ebenfalls analog den obigen Angaben die Anodenqualität.

Die Schichten 3 und 4 werden durch schichtweises Aufschmelzen einer Wolfram-Rhenium-Legierung auf die entsprechende Oberfläche des Grundkörpers I erzeugt. Es werden Schichten je 0,2 mm Mindestdicke aufgeschmolzen. Beim Aufschmelzen von Schichten, welche dünner als 0,2 mm sind, dringt Molybdän bei einer Gesamtdicke der Schichten von maximal 1,3 mm an die wirksame Anodenoberfläche durch.

Das Aufschmelzen wird im Vakuum oder in einem inerten Gas durchgeführt. Die Gründe hierfür sind analog denen, welche für das Erschmelzen des Anodenrohlings angeführt worden sind.

Die Schichten werden in Form von Ringnähten, deren Breite der Brennfleckbahn der Anode entspricht, im Elektronenstrahl-, Argonarc-Auftragsschweißen- oder Plasma verfahren aufgeschmolzen. Die Anode w ird 1111 voraus auf eine Temperatur von 1000 bis 1500 C. beispielsweise durch einen defokussierten Elektronenstrahl oder nach einem anderen bekannten Verfahren erhitzt. Hierbei wird die Oberflächenschicht der Molybdänlegierung zum Schmelzen gebracht, damit sich die ungleichartigen Metalle besser verbinden.

Die erste 0,2 bis 0,5 mm dicke Schicht aus Wolfram-Rhenium-Legierung gewährleistet ein gutes Verschmelzen der Metalle unter Bildung von Legierungen der Molybdän- Wolfram-Rheniumgallung mit wechselnder Zusammensetzung. Die letzte Schicht und ggfs die vorletzte Schicht bilden die äußere Schicht 3 mit konstanter Zusammensetzung und 03 bis 0,5 mm Gesamtdicke, die für die Betriebscharakteristiken des Erzeugnisses ausschlaggebend ist.

Die auf diese Weise erzeugten Anoden sind durch hohe Zuverlässigkeit und einen langen Betriebseinsatz gekennzeichnet. Versuche haben gezeigt, daß sie mehr als 20 000 Einschaltungen aushalten sowie sich durch außerordentlich geringen Gehalt uv Gas- und Metailbeimengungen auszeichnen. HierdurcL ist es möglich, eine Reihe von teuren und langwierigen Arbeitsgängen zum Entgasen vor der Montage der Röntgenröhre zu vermeiden.

Nachstehend werden Beispiele von Anoden mit den Betriebscharakteristiken angeführt.

Anode Nr. 1

Die Gesamtdicke der Schicht beträgt 1 mm. Die äußere Schicht 3 mit konstantem. 27%igem Rheniumgehait ist 0,3 mm dick. Die Dicke der Zwischenschicht 4 zwischen der äußeren Schicht 3 mit konstantem Rheniumgehalt und dem Grundkörper 1 beträgt 0.7 mm.

Diese Zwischenschicht 4 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 Grundkörper I vermindert.

Die Anode wurde durch schichtweises Aufschmelzen von Wolfram-Rhenium-Legierung, welche 27% Rhenium enthält, auf die entsprechende Oberfläche ihre Grundkörper hergestellt. Letzterer wurde durch Erschmelzen aus einer schweißbaren Mo'ybdänlcgierung im Vakuum erzeugt, deren Zusammensetzung im allgemeinen Teil der Beschreibung angegeben ist.

Es wurden 0,3 bis 0,4 mm dicke Schichten aufgeschweißt. Die Anode wurde 28 000 mal bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 900C U/min und bei ca. 1700°C Betriebstemperatur eingeschaltet. Praktisch traten keine Änderungen der Betriebseigenschaften der Anode auf.

Anode Nr. 2

Die Gesamtdicke der Schichten beträgt 0,9 mm. Die äußere Schicht 3 :nit konstantem, 20.1%igem Rheniumgehalt ist 0,3 mm dick.

Die Dicke der Zwischenschicht 4 ist analog der im ersten Beispiel angegebenen und beträgt 0,6 mm. Der Auftrag 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.

Die Anode wurd^ 22 000 mal bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 9000 U/min und bei 1700°C Betriebstemperatur eingeschaltet. Praktisch traten keine Verschlechterungen der Anodenqualität auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 Patentansprüche:

1. Röntgenröhrendrehanode, die aus einem Grundkörper aus einer Legierung auf Molybdänbasis, einer Wolfram enthaltenden Zwischenschicht und einer 0,2 bis 0,5 mm starken äußeren Schicht aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung konstanter Zusammensetzung besteht, bei der die Gesamtdicke von Zwischenschicht und äußerer Schicht mindestens 0,7 mm beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus im Vakuum oder inerter Atmosphäre erschmolzener Legierung auf Molybdänbasis besteht, auf dem die Zwischenschicht (4) aus Wolfram, Molybdän und Rhenium in wechselnder Zusammensetzung angeordnet ist, iä wobei der Rheniumgehalt abnimmt und der Molybdängehalt zunimmt* je weiter die betrachtete Stelle der Zwischenschicht (4) von der Oberfläche der Röntgenröhrendrehanode entfernt ist.

2. Verf?hren zur Herstellung einer Röntgenröhrendrehar.ode nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch Erschmelzen des Rohlings für den Grundkörper im Vakuum, Walzen des Grundkörpers und Formung des Grundkörpers zur Anode und schichtweises Aufschmelzen einer Wolfram-Rheniumlegierung im Vakuum auf die dem Elektronenbeschuß ausgesetzte Oberfläcne der Elektrode zur Bildung der Zwischenschicht (4) und der äußeren Schicht (3).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schichtenweise Aufschmelzen in mindestens u,2 mm dicken Schichten vorgenommen wird.