DE2513894A1 - Vakuumdicht gerahmte fenster fuer den durchtritt von roentgen- und aehnlich durchdringenden strahlen - Google Patents

Description

Vakuumdicht gerahmte Fenster für den Durchtritt von Röntgen- und ähnlich durchdringenden Strahlen

Die Erfindung betrifft vakuumdicht gerahmte Fenster für den Durchtritt von Röntgen- und ähnlich durchdringenden Strahlen. Fenster dieser Art werden bekanntlich bei als Strahlenquelle verwendeten. Röntgenröhren, also Hochvakuumröhren, benutzt, um in der Röhre erzeugte Röntgenstrahlen mit möglichst wenig Verlust durch die vakuumdichte Wand zu bringen. Auch bei Röhren, in denen Röntgen- oder ähnlich durchdringende Strahlen, wie etwa Gammastrahlen, von Isotopen zur Registrierung in Signale umgewandelt werden sollen, braucht man Strahlendurchgangsfenster. Diese müssen insbesondere vakuumdicht sein, wenn die Umwandlung in Elektronen erfolgt bzw. die Umwandlungselemente, wie z.B. Alkalimetall enthaltende Fotokathoden, gegen atmosphärische Einflüsse empfindlich sind. Röhren dieser Art können etwa Meßsonden zur Erzeugung von elektrischen Meßsignalen enthalten oder Anordnungen, die dazu geeignet sind, die Strahlen in optische oder elektrische Signale umzuwandeln, aus denen ein sichtbares Bild erhalten werden kann. Solche Röhren sind z.B. als Bildwandler, Fernsehaufnahmeröhren etc. bekannt.

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Bei bekannten Röhren bestehen Metallfenster, die Röntgenstrahlen, Gammastrahlen etc. durchlassen, häufig aus dem für diese Strahlen recht transparenten Beryllium (Be). Dabei werden die Berylliumscheiben unter Zwischenfügung von Verbindungselementen mit dem Gehäuse der Röhre verlötet oder verschweißt (vgl. US-PS 3 419 741 und DT-AS 1 464 377). Scheiben aus Beryllium sind aber beim gegenwärtigen Stand der Technik nicht in beliebigen Größen zu erhalten. Außerdem ist Beryllium nur schwer verformbar. Bei vielen Anwendungen von Röntgenstrahlenfenstern, etwa bei der Verwendung in Röntgenbildverstärkern, braucht man aber neben preiswertem Material auch großen Durchmesser und Freiheit in der Verformung. Bei Vakuumbildverstärkern werden daher z.Z. die Eingangsfenster immer noch aus Glas hergestellt, obwohl dieses Röntgenstrahlen in beträchtlichem Umfang absorbiert.

Auch dünne Folien aus Titan sollten schon als Strahlendurchgangsfenster verwendet werden (vgl. DT-OS 2 151 079). Das Problem der Befestigung dünner Folien wird dabei dadurch gelöst, daß die Metallfolie in einen stabilen Rahmen gefaßt wird, der etwa aus Stahl bestehen kann. Der Rahmen besitzt dabei die Form eines Ringes, auf den die Folie aufgelegt ist. Zur Befestigung werden dann die Ränder von Folie und Rahmen miteinander verschweißt. Bei Verwendung mit Vakuumröhren wird die dünne Folie aber in den Raum des Kolbens hineingezogen. Man muß daher von vornherein größere Baulängen vorsehen als bei übliche nach außen gewölbten Fenstern von Bildverstärkern.

Auch Kolben, die ganz aus Aluminium, also einem Leichtmetall, bestehen, haben sich nicht durchsetzen können. Bisher gibt es noch keine ausreichenden Möglichkeiten, durch die Wand aus Aluminium elektrische Leitungen in praktikabler Weise durch^führen (vgl. z.B. Philips Techn. Rundschau 21. Jahrg. (1959/60) Nr. 10, Seite 272).

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Es ist auch bekannt, Scheiben aus Leichtmetall in einen Schwermetallrahmen einzuschweißen, so daß man in einfacher Weise beliebig verformbare Scheiben auch großen Durchmessers preiswert erzielt (vgl. DT-AS 2 331 210). Dabei werden Scheiben aus leichtmetall, außer Beryllium, verwendet, bei denen das Leichtmetall am Rand mit verschweißbarem Schwermaterial beschichtet ist. Die Beschichtung wird mit dem Rahmen dicht verschweißt. Dies ist u.a. auch so ausgeführt, daß der Rand des Fensters in axialer Richtung nach außen umgebördelt in einen ringförmigen Rahmen eingepaßt ist und daß dann die Ränder von rohrförmiger Umbiegung und rohrförmigen! Rahmen miteinander verschweißt sind.

Bei der Beschäftigung mit dem vorliegenden Problem hat sich gezeigt, daß es Vorteile bieten könnte, wenn man bei der Anbringung von Fenstern ohne einen ErhitzungsVorgang, wie er beim Schweißen oder Löten benötigt wird, auskommen würde. Man könnte z.B. ohne zusätzliche Mittel, wie etwa Lot oder Kleber, sicher verhindern, daß Flußmittel bzw. Binder und Härter später Gas abgeben und das Hochvakuum abbauen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Methode anzugeben, bei der Scheiben der obengenannten Art, insbesondere solche großen Durchmessers, ohne Verschweißung in die Strahleneingangsfenster von Röhren vakuumdicht einsetzbar sind.

Diese Aufgabe wird nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Verbindung des Fensters mit dem Rahmen als auf dichten Paßsitz gebrachte Rohrverbindung ausgebildet ist, bei welcher drei rohrförmige Teile ineinandergepreßt sind, von denen einer der rohrförmige Rand des in die Form eines mit der Fensterscheibe verschlossenen Rohres gebrachten.Fensters, einer der Rand des Rahmens und einer ein zusätzlicher Ring ist, wobei die Materialien so gewählt sind, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des äußeren Teiles kleiner als derjenige des in der Mitte liegen-

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den und derjenige des innen liegenden Teiles wenigstens demjenigen des äußeren entspricht und unterhalb desjenigen des mittleren Teiles liegt.

Nach der Erfindung -ist es möglich, als Eingangsfenster z.B. Kappen aus preiswerten Materialien, wie Z₀B. Aluminium oder seinen Legierungen, herzustellen, obwohl auch Beryllium und seine Legierungen anwendbar sind. Andererseits sind aber auch andere Stoffe, wie etwa Kunststoffe, z.B. Polyimide, verwendbar, wenn sie durchdringende Strahlen ausreichend durchlassen und dabei hinreichend im Hochvakuum stabil sind. Materialien dieser Art sind bekanntlich übliche Baustoffe und daher in beliebigen Größen und beliebig verformbar erhältlich. Fenster können daher auch etwa nach außen gewölbt erhalten werden, so daß bei guter Strahlendurchlässigkeit hinreichend stabile Formen erzielbar sind.

Nach der Erfindung sind außerdem noch die Vorteile eines Schwermetallrahmens erzielbar, der den Übergang zu einem Glas- oder Schwermetallkolben bilden kann. Der Kolben kann aber auch ganz aus dem Metall, wie Eisen, Stahl, Nickel, Kupfer,etc., bestehen. Es kommt hauptsächlich nur darauf an, daß dieses Material des Kolbens im Hochvakuum beständig ist und einen ausreichend robusten Kolben herzustellen erlaubt. Von den Materialien des Kolbens und denjenigen des Fensters ist gemeinsam zu verlangen, daß sie beim Aneinanderpressen und gegebenenfalls Erhitzen den dichten Sitz der Teile aneinander gewährleisten.

Bei der Erfindung kommt man ohne Verschweißung oder Verlötung aus. Dies ergibt den angestrebten Vorteil, daß die bei den üblichen Methoden zu befürchtenden, beim Schweiß- oder Löterhitzen auftretenden Verformungen des Rahmens etc. unterbleiben. Nach der Erfindung werden vielmehr alle Teile des Rahmens und des Fensters beim Zusammenstecken und darauffolgenden Pressen und gegebenenfalls Erhitzen auf 400 bis 500⁰C gleichzeitig mit-

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einander verbunden, so daß thermische oder mechanische Kräfte an allen Teilen gleichmäßig auftreten und kein Verziehen befürchtet werden muß.

Bei der Erfindung kommt es im wesentlichen darauf an, daß zwischen zwei äußeren rohrförmigen Teilen ausreichender Stabilität ein Spalt gebildet wird, der beim Erhitzen wenigstens angenähert gleich bleibt oder kleiner wird. In den Spalt wird ein Teil gelegt, dessen Ausdehnungskoeffizient größer ist als derjenige des äußeren Teiles. Dadurch wird erreicht, daß beim Erhitzen das zwischen den rohrförmigen Teilen liegende Teil größeren Ausdehnungskoeffizienten unter sehr hohem Druck an die Wände der beiden Teile angepreßt wird. Dabei wird eine dichte Verbindung mit diesen Teilen erreicht, ohne daß man ein Lot- oder Klebemittel braucht. Außer den oben ausdrücklich beschiebenen Metallen sind alle Materialien verwendbar, die bei innigem Aneinanderpressen eine für den jeweiligen Zweck ausreichend stabile Verbindung ergeben. Dies können außer Metallen auch an der Oberfläche metallisierte Teile aus Keramik oder ähnlichen Materialien sein. Andererseits sind auch Kunststoffteile verwendbar, die beim Anpressen eine innige Verbindung ergeben.

Bei einer bekannten Lot-, Kleb- od.dgl. Verbindung von einander umfassenden Teilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Metall- und Keramikteilen) sollen Schwierigkeiten insbesondere bei der Hartlötung von Metall- und Keramikteilen bei Durchmessern über 30 mm vermieden werden, indem der Teil mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten von einer Bandage aus mechanisch festerem (dickerem) Werkstoff mit kleinerem Wärmeausdehnungskoeffizienten umgeben ist bzw. dem innen liegenden Teil ein gleichfalls mechanisch festeres (dickeres), längs seines Umfangs nicht unterbrochenes Teil, aber mit größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten, anliegt (vgl. DT-PS 938 227). Vorzugs-

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weise soll der Ausdehnungskoeffizient des zusätzlichen Teiles etwa gleich dem der Keramik sein, damit auch während der Ver-'lötung ein Preßsitz zwischen dem zu verwendenden Teil gewährleistet ist. Diese Verbindungen setzen aber ein Bindemittel, etwa ein Lot-, Klebe- etc. Mittel, voraus. Solche angesetzten Teile sind nach gegenwärtiger Erkenntnis aber für die in der Kathodenstrahltechnik verwendeten Hochvakuumkolben nicht geeignet, weil die Lötmittel oder auch die Klebemittel lange Zeit Gas abgeben (nachgasen).

In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein vakuumdichtes Röntgen- und Gammastrahlen gut durchlassendes Fenster etwa bei einem Bildverstärker dadurch erhalten, daß das eingangsseitige Ende des Takuumkolbens eines Bildverstärkers bzw. der ganze Kolben aus Stahl hergestellt ist und das Eingangsfenster aus einer Kappe aus Aluminium besteht, die über den äußeren Rand der Eingangsöffnung des Bildverstärkers paßt. Außerdem ist noch ein Stahlring aus dem Material, aus dem der Kolben besteht, vorbereitet, der außen über den Rand der Kappe paßt. Schon beim Ubereinanderpressen der Teile wird dann im Sinne der Erfindung ein dichter fester Sitz der Kappe am Eingang des .Kolbens erhalten.

Bei Verwendung von Stahl und Aluminium liegen Ausdehnungskoeffizienten vor, die sich wie 1 : 2 verhalten. Bei Kolben mit einem Eingangsdurchmesser von 30 und mehr cm ist es zweckmäßig, Edelstahl für die Kolbenwand zu verwenden. Mit einer Dicke der Wand von ca. 2 mm wird bei 35 bis 40 cm Durchmesser hinreichende Festigkeit erhalten. Die Dicke des Fensters aus Aluminium ist dabei mit 1 mm bei ausreichender Durchlässigkeit für durchdringende Strahlen hinreichend stabil. Ein 2 mm dicker Ring aus Stahl gibt am äußeren Umfang ausreichend Halt. Außerdem sollte dabei die Kappe 2 bis 3 cm über den Rand des Kolbeneingangs greifen und der Ring 3 bis 5 cm breit sein. Durch die vorgenannte Wahl der Dimensionen wird neben guter Festigkeit auch

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genügend Anlegefläche erhalten. Das Aufbringen des Ringes erfolgt dabei in einer Presse mit einem Preßdruck von ca. 500 kp bis 1000 kp. Danach sollte zweckmäßig noch eine Erhitzung auf 400 bis 500° erfolgen, um sicher Dichtheit zu erzielen.

Das Aufbringen ist einfacher, wenn der obere Rand des Kolbens konisch gemacht wird, ebenso wie der Rand der Kappe und die Innenform des Ringes. Dadurch werden schon von vornherein Auflagen geschaffen, die maßgerechten Sitz vorgeben. Überdies ist eine Verbesserung der Dichtung erzielbar, wenn man am äußeren Rand des Kolbens an der Fläche, an welcher die Kappe aufsitzt, parallel zum äußeren Rand des Kolbens verlaufende Wülste etc. anbringt. Diese drücken sich beim Zusammenfügen in das Material des Fensters und verbessern so den Verschluß. In der Regel dürfte schon ein einzelner Wulst ausreichend sein. Das Profil der Wulst kann im radialen Schnitt Dreieck- oder Viereckform haben. Aber auch andere Formen, wie etwa"halbrund, sind sicher anwendbar. Es kommt lediglich darauf an, daß sich beim Eindruck in das Material des Fensters eine dichte Verbindung bildet.

Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert.

In der Fig. 1 ist ein Übersichtsschaubild über einen erfindungsgemäß mit einem Fenster versehenen Vakuum-Röntgenbildverstärker gezeichnet und

in der Fig. 2 ein vergrößerter Ausschnitt aus der Verbindungsstelle des Fensters mit dem Kolben des Bildverstärkers.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein vakuumdichter Kolben bezeichnet, der an seinem einen axialen Ende mit einem Fenster 2 aus Aluminium verschlossen ist. Hinter dem Fenster 2 liegt ein aus Aluminium

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bestehender Träger 3, der mit einer Leuchtstoff schicht 4 und einer Fotokathodenschicht 5 versehen ist. Auf diese als Fotokathode zu bezeichnende Kombination folgen Elektroden 6, 7, 8 und 9 und ein für Elektronen empfindlicher Leuchtschirm 10, der wiederum vor einem optisch durchsichtigen Fenster 11 liegt, welches den dem Fenster 1 gegenüberliegenden Verschluß des Kolbens 1 darstellt. Die Elektroden 6 bis 9 dienen bekanntlich der Abbildung der in der Fotokathode 3 bis 5 ausgelösten Elektronen auf dem Leuchtschirm 10. Dazu sind die Elektroden 6 bis 9 über Zuleitungen 12 bis 16 zur Erzeugung entsprechender Potentiale mit einer Spannungsquelle verbunden.

In der Fig. 2 ist ersichtlich, daß das kappenförmig ausgebildete Eingangsfenster 2, welches aus Aluminium besteht und 2 mm dick ist, die Form einer Kappe hat, deren Rand über das obere Ende des Kolbens 1 gesteckt ist und wobei außen herum ein Ring gelegt ist, der wie der Kolben 1 an seinem oberen Rand aus Stahl besteht. Außerdem besitzt der Kolben 1 nahe seinem oberen Rand eine Wulst 18, die im Querschnitt dreieckige Form aufweist, so daß sich beim Zusammenpressen in Richtung des Pfeiles 19 an den konisch zueinander passenden Rändern des Kolbens,und der Kappe sowie des Ringes 17 vakuumdichter Sitz ergibt.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   1Λ Vakuumdicht gerahmte Fenster für den Durchgang von Röntgen- und ähnlich durchdringenden Strahlen, deren Rand die Form eines Rohres haben und dicht mit einem rohrförmigen Rahmen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Fensters mit dem Rahmen als auf dichten Paßsitz gebrachte Rohrverbindung ausgebildet ist, bei welcher drei rohrförmige Teile ineinandergepreßt sind, von denen einer der rohrförmige Rand des in die Form eines mit der Fensterscheibe verschlossenen Rohres gebrachten Fensters, einer der Rand des Rahmens und einer ein zusätzlicher Ring ist, wobei die Materialien so gewählt sind, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des äußeren Teiles kleiner als derjenige des in der Mitte liegenden und derjenige des innen liegenden Teiles wenigstens demjenigen des äußeren entspricht.und unterhalb desjenigen des mittleren Teiles liegt.
2. 2. Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere und der innere Teil aus Stahl und der dazwischenliegende Teil aus einer Kappe aus reinem oder legiertem Aluminium besteht, so daß der äußere und der innere Teil gleichen und kleineren Ausdehnungskoeffizienten haben als der dazwischenliegende rohrförmige Rand der Kappe.
3. 3. Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil das rohrförmige Ende eines mit dem Fenster zu versehenen Elements bzw. eines mit diesem verbindenden rohrförmigen Ansatzes ist, über welches die als Fenster dienende Kappe gesteckt ist und daß das außen liegende Teil in Form eines Ringes über diese Steckverbindung gepreßt ist.

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4. 4. Fenster nach. Anspruch 3, dadurch, gekennzeichnet, daß der innere Teil außen und der äußere Teil innen konisch ausgebildet ist.
5. 5. Fenster nach Anspruch 3, dadurch, gekennzeichnet,daß wenigstens einer der aus Stahl bestehenden Teile an seiner mit Aluminium in Verbindung kommenden Fläche wenigstens einen um seinen Umfang herum verlaufenden Wulst aufweist.
6. 6. Fenster nach Anspruch 5, dadurch, gekennzeichnet, daß der Wulst dreieckigen Querschnitt hat, wovon die Spitze des Dreiecks nach, außen weist.
7. 7. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile übereinandergesteckt und mit einem Pressendruck von 500 bis 1000 kp ineinander gepreßt werden und daß dann auf 400 bis 500 C erhitzt wird.
8. 8. Verwendung eines Fensters nach, einem der vorhergehenden Ansprüche als Strahleneingangsfenster eines elektronischen Röntgenbildverstärkers.

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