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Röntgenröhren-Drehanode Eine Röntgenröhren-Drehanode nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 ist bereits bekannt aus der US-PS 3 694 685.
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Bei bekannten Drehanoden, von denen die Erfindung ausgeht, ist der
Anodenteller an einem hohlen Teil, welches das Ende der Drehachse bildet, befestigt.
Dazu ist der Rand des hohlen Teiles auseinandergebogen, so daß er sich in die im
Zentrum des Tellers vorgesehene trichterförmige Achsöffnung bündig einfügt. Der
Teller wird so am Herunterfallen gehindert. Zugleich wird er gegen eine an der Achse
vorgesehene Schulter gedrückt und festgehalten. Diese eine Art Vernietung darstellende
Verbindung ist nachteilig, weil eine dauerhafte, spielfreie Verbindung nicht möglich
ist. Der Teller ist auch nicht wieder demontierbar. Große Anlauf-Drehmomente, um
die P wunschte kurze Hochlaufzeit zu bekommen, sind nicht möglich. Insbesondere
bei Verwendung von Anoden aus empfindlichen Materialien, wie Graphit, ist diese
Art der Befestigung schwierig. Insbesondere bei Graphitscheiben kommt es regelmäßig
zum Bruch der Scheibe..
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Zur Zeit sind die Drehanodenteller in der Regel mittels einer Schraubverbindung
an der-Achse angebracht. Dies hat den Nachteil, daß bei den hohen vorkommenden Temperaturen
und Temperaturwechseln die ursprünglich feste Verbindung mehr oder weniger schnell
und stark nachläßt. Außerdem sind Gewindeteile aus Sintermetall schlecht herstellbar
und bruchempfindlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Röntgenröhren-Drehanode
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 unter Vermeidung vorgenannter Nachteile
die Befestigung der Anodenplatte an der Achse durch eine feste Löt- oder Schweißverbindung
herzustellen, die lösbar ist und bei deren Lösung sowohl die Drehanode als auch
die Achse wieder verwendbar bleiben. Diese Aufgabe wird erfindungsgenäß durch die
im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Wie bei der bekannten Röhre kann bei Verwendung einer rohrförmigen
Welle als Achse die eigentliche Anode, d.h. der Anodenteller, am einen Ende und
der Antrieb, d.h. der Rotor, am anderen Ende angebracht werden. Dabei wird die Verbindung
in der Regel so getroffen, daß am einen Ende der Rotor durch Schrauben und der Teller,
d.h. die Anodenplatte, durch Anschweißen oder Anlöten am anderen Ende der Achse
befestigt wird. Als Rohrmaterial ist vorzugsweise Molybdän oder Niob verwendbar,
aber auch Legierungen dieser Metalle, wie TZM, ebenso Tantal. Das als Achse verwendete
Rohr sollte eine lichte Weite von 15 mm bis 30 mm und eine Wandstärke von 1 mm bis
2 mm haben. Der Durchmesser dürfte in der Regel größer zu wählen sein, wenn größere
und schwerere Anodenteller verwendet werden und ebenso die Wandstärke, um eine Anpassung
an die erforderliche Festigkeit zu erhalten. Auch eine Anpassung an die zu verbindenden
Materialien ist in der bei Schweißungen und Lötungen üblichen Praxis zu bewirken.
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Bei einem Wolfram-Molybdän-Verbundteller von 100 mm Durchmesser und
10 mm Dicke ist z.B. ein Rohr aus Niob von größenordnungsmäßig 20 mm lichter Weite
und ca. 2 mm Wandstärke vorteilhaft.
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Bei einem Teller aus Graphit und Verwendung eines Rohres aus Molybdän,
oder einer Legierung aus Titan, Zirkon und Molybdän (TZM) sind 15 mm lichte Weite
und eine Wanddicke von 1 mm zweckmäßig. Als Lot kommen im Röhrenvakuum beständige
Stoffe in Betracht; bei Wolfram-Molybdänlegierungs-Verbundtellern z.B. Vanadium
und bei Graphittellern etwa Zirkon.
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Die Schweißung oder Lötung braucht nur an einigen, etwa drei Punkten
ausgeführt zu werden. Dabei hat es sich als besondersvorteilhaft erwiesen, an den
zu verschweißenden Punkten zwischen den zu verschweißenden Teilen (Teller, Welle)
Bohrlöcher einzubringen und in diese einen Vanadium-Draht bzw. ein Drahtstück einzulegen.
So wird während der Verschweißung eine relativ duktile Schweißverbindung erzielt.
Eine sonst insbesondere bei Molybdän häufig auftretende Materialversprödung wird
so sicher vermieden. Dies führt zu einer festen Einheit, die auf den Rotor montierbar
ist.
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Für die Befestigung nichtmetallischer Anodenteller, etwa solchen aus
Graphit, kommt eine Lötung in Betracht. Brauchbare Lötmittel sind z.B. Zirkon, Vanadium,
Titan. Die Verwendung eines Rohres und einer Schweißung bzw. Lötung-führt zu einer
preisgünstigen und mechanisch sehr stabilen Halterung der Drehanode, weil das Rohr
im Zieh- oder Drückverfahren aus Blech hergestellt werden kann, wodurch auch eine
Steigerung der Materialfestigkeit erreicht wird. Außerdem ist die Verbindung zwischen
der Welle und der Drehanode zuverlässig und fest.
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Durch die Wahl der Wandstärke des Rohres, welches als Welle verwendet
wird, und/oder durch Einbringen vonbffnungen, wie
Löchern oder Schlitzen
etc., kann in dieser Welle die Geschwindigkeit der Ableitung der Wärme vom Drehanodenteller,
d.h. der Brennfleckbahn, zum Rotor eingestellt werden. Die hohle Achse, etwa ein
Rohr, ist auch so abwandelbar, daß eine elastische Verbindung zwischen der Anode
und dem Rotor erhalten wird.
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Etwa durch Anbringen von längs der Drehachse verlaufenden parallelen
Schlitzen kann eine Federung zwischen dem Tellur und dem Rotor erhalten werden.
Durch die federnde Ausgesealtung der Achse besteht eine, wenn auch in der Regel
geringe, Bewegungsfreiheit, so daß sich Unwuchten des Drehsystems durch Verlagerung
selbsttätig ausgleichen können.
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Trotz der festen Verbindung der Anode mit der Achse durch Löten oder
Schweißen ist die Kombination Drehanode und Welle bei einer Verschraubung mit dem
Rotor von diesem lösbar und an anderen Stellen wieder verwendbar. Die Wiederverwendbarkeit
wird auch dadurch gefördert, daß z.B. bei federnder Ausführung der rohrförmigen
Welle eine selbsttätige Ausgleichung von Unwuchten eintritt, weil eine Anpassung
an geänderte Verhältnisse möglich ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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In der Fig. 1 ist eine Drehanoden-Röntgenröhre mit aufgebrochener,
erfindungsgemäß an der Achse befestigter Drehanode als schaubildliches Ausführungsbeispiel
dargestellt, in der Fig. 2 der Schnitt durch die Verbindung zwischen Anode und Achse
sowie Rotor bei der Verbindung, wie sie in Fig. 1 gebraucht ist, in der Fig. 2a
eine Abwandlung der Ausführung nach Fig. 2,
in der Fig. 3 an einem
Querschnitt die Verwendung eines in der abschließenden Ebene der Drehanode verschlossenen
Rohres als Welle, in der Fig. 4 der Querschnitt durch eine in eine rohrförmige Welle
eingesetzte Drehanode und in der Fig. 5 ein Ausschnitt aus einer schaubildlich dargestellten
Röntgenröhre, bei welcher die Drehanode zusammen mit der rohrförmigen Achse vom
Rotor her an diesem angeschraubt ist.
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In der Fig. 1 ist mit 1 der Vakuumkolben einer Röntgenröhre 2 bezeichnet.
Im Kolben 1 ist am einen Ende eine Kathodenanordnung 3 und am gegenüberliegenden
Ende eine Anodenanordnung 4 angebracht. Die Kathodenanordnung 3 besteht aus einer
Umhüllung 5 und einem Ansatz 6 für die Glühkathode. Die Anordnung 4 der Anode umfaßt
einen Rotor 7, auf den eine Achse 8 aufgesetzt ist, die an ihrem Ende eine scheibenförmige
Anode 9, den sog. Anodenteller, trägt. Die Anode 9 besteht aus einem zentralen,
15 mm dicken Körper 10 aus Graphit von 60 mm Durchmesser, um den ein aus Wolfram
bestehender Ring 11 von 100 mm Außendurchmesser und 10 mm Dicke in bekannter Weise
herumgelegt und verlötet ist. Das Ende des Rohres 8 ist mit der Oberfläche des Graphitkörpers
10 an den mit 12 bezeichneten Stellen mittels Zirkon verlötet. Eine weitere Lötstelle
befindet sich auf dem zur verdeutlichten Darstellung weggenommenen, in der Figur
nicht dargestellten Teil der Anode 9.
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Bei der Erzeugung von Röntgenstrahlen wird auf eine der beiden Brennfleckbahnen
13 und 14 bzw. auf beide ein Elektronenstrahl gerichtet. Dieser kommt aus dem Ansatz
6 von einer der Glühkathodenteile 15 -und 16 bzw. von beiden. Diese werden in Betrieb
gesetzt, indem eine-Heizspannung entweder zwischen den Anschlüssen 17 und 18 bzw.
18 und 19 oder zwischen 17 und 19
angelegt wird. Außerdem wird zur
Erzeugung des Elektronenstrahls noch zwischen der Leitung 18 und dem Stutzen 20
eine Hochspannung von 50 bis 150 kV angelegt. Dann treten aus den Glühkathoden 15
und 16 Elektronen aus, beaufschlagen die Brennfleckbahnen 13 und 14, so daß in bekannter
Weise Röntgenstrahlen aus der Röhre austreten.
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Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausschnitt handelt es sich um
einen Querschnitt durch eine 10 mm dicke Drehanode 21 aus Molybdän und von 100 mm
Durchmesser, die als Achse mit einem Rohr 22 aus Molybdän mit einer lichten-Weite
von 16 mm und einer Wandstärke von 2 mm an den Stellen 23 und 24 mittels Vanadium-Zusatzes
verschweißt ist. Um das Rohr 22 herum ist 1,5 mm tief eine Nut 25 in den Körper
der Anode 21 eingestochen, so daß zur Verschweißung ein etwa 1 mm breiter Rand 26
zwischen dem Rohr 22 und der Nut 25 auf der Anode 21 stehen bleibt. An den Stellen
23 und 24 bzw. weiteren Stellen auf dem Umfang sind Löcher 26' von 1 mm Durchmesser
und 1 mm Tiefe eingebohrt, deren Mittelpunkte sich auf dem Kreis des Außendurchmessers
des Molybdän-Rohres befinden. Die Rille 25 vereinfacht wegen der verringerten Wärmeableitung
die Schweißung wesentlich. Die Schweißung kann aber auch auf dem ganzen Umfang erfolgen.
Dann wird anstelle der Löcher eine weitere Nut zum Einlegen eines Vanadium-Drahtringes
angebracht. Mittels der Schrauben 27 und 28 und einer weiteren auf dem abgeschnittenen
Teil ist die aus der rohrförmigen Achse 22 und dem Anodenteil 21 bestehende Kombination
mit dem Rotor 29 fest verbindbar. Ähnlich wie die VerschweiBungen 23 und 24 an der
Oberseite der Drehanode 21 können statudessen oder zusätzlich auch an der Unterseite
Verschweißungen angebracht sein, wie mit 23' und 24' angedeutet ist.
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Bei der in der Fig. 9 dargestellten Ausbildungsform ist die Achse
ein Rohr 30 aus Niob, welches an der Oberfläche mit
einer Wand 31
aus gleichem Material verschlossen ist, die mit der Oberfläche des Anodenkörpers
32 aus Wolfram abschließt.
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Die Lötung mit Vanadium ist auf der gesamten Berührungsfläche zwischen
Teller und Welle. Dies bietet den Vorteil, daß Kanten.
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an der Telleroberseite vermieden werden, was der Hochspannungsfestigkeit
der Röhre sehr zustatten kommt. Im übrigen stimmen Konstruktion und Abmessungen
mit denjenigen nach Fig. 1 oder 2 überein.
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In der Fig. 4 ist eine Kombination aus einer rohrförmigen Welle 33
aus TZM und einer Anode 34 aus Graphit dargestellt. Die Anode weist dabei einen
Ansatz 35 auf, der in die 15 mm weite Öffnung des Rohres eingesetzt ist. Die Anode
34, d.h. die 14 mm dicke Platte von 125 mm Durchmesser, ist dann durch die Lötung
36 auf der gesamten Berührungsfläche mit dem Rohr verbunden. Außerdem bewirkt das
Einfügen des Ansatzes 35 in die Öffnung des Rohres 33 den gleichen Vorteil wie die
Verschlußwand 31 nach Fig. 3. Zudem ist eine Umfassungslötung in diesem-Falle günstiger.
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Bei der Ausführung nach Fig. 5 ist wie in der Fig. 3 ein Rohr 37 verwendet,
welches an seinem Ende mit einer Verschlußwand 38 versehen ist, die mit der Oberfläche
des Anodenkörpers 39 abschließt. Bei dieser Ausbildung sind in Abweichung von den
übrigen Beispielen Schrauben 40 vom Inneren des Rotors 41 aus mit der aus 37 und
39 bestehenden Kombination verbunden. Im Inneren des Rotors befinden sich in an
sich bekannter Weise die Kugellager 42 und 43, in welchen die Achse 44 drehbar gehaltert
ist. Die Umhüllung der Röhre stellt wie bei der Fig. 1 ein vakuumdichter Kolben
45 dar, von welchem in dieser Fig. 5 das obere Stück weggelassen ist, welches in
mit der Fig. 1 übereinstimmender Weise eine Kathodenanordnung wie diejenige, die
dort mit 3 bezeichnet ist, enthält. Auch bei dieser Anordnung kann die Herstellung
von Röntgenstrahlen wie bei- der Röhre nach Fig. 1 erfolgen.
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Bei den Verschweißungen 46 des Anodenkörpers 39 mit der Welle 37,
die an der Unterseite des Körpers 39 liegen, sind Bohrungen 47 in den Körper 39
eingebracht. Sie ersetzen die Nut 25, die in Fig. 2 mit 25 bezeichnet ist. Es reichen
daher Bohrungen aus, deren Abmessungen mit denjenigen der Nut 25 übereinstimmen.
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In der Fig. 2 ist zusätzlich durch in die Wand des Rohres 22 eingebrachte
Löcher 48 und 49 die oben bereits erwähnte Möglichkeit angedeutet, nach welcher
durch Verringerung des Achsmaterials und Veränderung des Ableitweges die Ableitung
der Wärme aus der Drehanode 21 beeinflußbar ist. In der Fig. 3 ist außerdem die
Ausbildung der Löcher als parallel zur Drehachse verlaufende Schlitze 50, 51 und
52 angedeutet. Durch die Schlitze 50 bis 52 wird die aus dem Rohr 30 bestehende
Achse etwas elastisch. Dadurch wird im drehenden System ein gewisser Ausgleichvon
Unwuchten möglich (vgl. z.B. DT-OS 2 225 806).