DE2605376C3

DE2605376C3 - Abdichtung für ein Röntgenstrahlendurchgangsfenster und Verfahren zur Herstellung der Abdichtung

Info

Publication number: DE2605376C3
Application number: DE2605376A
Authority: DE
Inventors: Heinz 8520 Erlangen Roehrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-02-11
Filing date: 1976-02-11
Publication date: 1979-01-11
Also published as: DE2605376A1; FR2341194A2; US4122967A; FR2341194B2; DE2605376B2

Description

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, die im Hauptpatent angegebene Ausbildung von Strahlendurchgangsfenstern, bei der Scheiben der obengenannten Art, insbesondere solche großen Durchmessers, ohne Verschweißung vakuumdicht einsetzbar sind, dahingehend zu verbessern, daß sie in einfacher Weise auch wieder lösbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst

Bei der Lösung nach dem Hauptpatent ist die Verbindung des Fensters mit dem Rahmen als auf dichten Paßsitz gebrachte Rohrverbindung ausgebildet, bei welcher drei rohrförmige Teile ineinarJergepreßt 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 Teils kleiner als derjenige des in der Mitte liegenden und derjenige des innen liegenden Teils wenigstens demjenigen des äußeren Jo entspricht und unterhalb desjenigen des mittleren Teils liegt.

Durch die Abwandlung gegenüber dem Hauptpatent wird nach der Erfindung erreicht, daß die Verbindung auf einfache Weise auch wieder lösbar ist Damit die J5 beiden äußeren Ringe außerhalb des Vakuums liegen, ist eine Umstülpung vorgesehen, die einen inneren Rand bildet In diesen Rand kann Kühlflüssigkeit eingefüllt werden. Wenn nun von außen erhitzt wird, bleibt der innere Rin,j auf geringerer Temperatur und damit ίο kleiner, so daß die Einpressung des Fensters sich löst und die Teile auseinandergenommen werder können.

Nach der Erfindung ist eü möglich, als Eingangsfenster z. B. Kappen aus preiswerten Materialien, wie z. B. Aluminium oder seinen Legierungen, herzustellen, « obwohl auch Beryllium und seine Legierungen anwendbar sind. Andererseits sind aber auch andere Stoffe, wie etwa Kunststoffe, z. B. Po'yimide, 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 Gröüen 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 'ibergang zu einem Glas- oder Schwermetallkolben bilden kann. Der Kolben kann aber auch ganz aus dem Metall, w) wie Eisen, Stahl- Nickel, Kupfer usw., bestehen. Es kommt hauptsächlich nur darauf an, daß dieses Material des Kolbens im Hochvakuum beständig ist und einen ausreichend robusten Kolbett herzustellen erlaubt Von den Materialien des Kolbens und denjenigen des <n 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 Verschweißuog oder Verlötung aus. Dies ergibt den angestrebten Vorteil, daß die bei den üblichen Methoden zu befürchtenden, beim Schweiß- oder Löterhitzen auftretenden Verformungen des Rahmens usw. unterbleiben. Nach der vorliegenden Erfindung werden vielmehr alle Teile des Rahmens und des Fensters beim Zusammenstecken gleichzeitig miteinander 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 Teils. Dadurch wird erreicht, daß beim Erhitzen das zwischen den rohrförmigen Teilen liegende Teil größeren AusdehnungskoeffizientP-.i 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 beschi .ebenen Metal'en 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 f hnlichen 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, inderr der Teil mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten von einer Bandage aus mechanisch festerem (dickerem) W2rkstoff mit kleinerem Wärmeausdehnungskoeffizienten umgeben ist bzw. dem innen liegenden Teil ein gleichfalls mechanisch festeres (dickeres), längs seines Umfangs nicht unterbrochenes Teil, aber niit größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten, anliegt (vgl DF-PS 9 38 227). Vorzugsweise soll der Ausdehnungskoeffizient des zusätzlichen Teils etwa gleich dem der Keramik sein, damit auch während der Verlötung ein Preßsitz zwischen dem zu verwendenden Teil gewährleistet ist. Diese Verbindungen setzen aber ein Bindemittel, etwa ein Lot-, Klebe- usw. 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 "enster etwa bei einem Bildverstärker dadurch erhalten, daß das eingangsseitige Ende des Vakuumkolbens eines Bildverstärkers bzw, dsr ganze Kolben aus Stahl hergestellt ist und das Eingangsfenster aus einer Kappe aus Aluminium besteht, die in die Eingangsöffnung des Bildverstärkers paßt. Außerdem ist ein Stahlring aus dem Material, aus dem der Kolben besteht, vorbereitet, der außen urn den Rand der Kappe paßt und ein solcher, der innen in den rohrförmig nach außen gestülpten Rand des Fensters paßt. Beim

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Ineinanderfügen der Teile wird im Sinne der Erfindung ein dichter fester Sitz der Kappe in den am Eingang des Kolbens eirisetzbafen Rahmen erhalten, wenn der innere Ring zusammen mit dem Fenster kalt gehalten und der äußere Ring erhitzt wird. Er kann so nach dem Verfahren des Aufschweißens dicht um die Anordnung herumgelegt werden. Wegen der Ausstülpung des Randes kann überdies etwa durch Eingießen einer Kühlflüssigkeit der äußere Ring durch Erhitzen gelockert und zur Trennung vom Fenster abgenommen werden.

Bei Verwendung von Stahl und Aluminium liegen Ausdehnungskoeffizienten vor, die sich wie 1 :2 verhalten. Es können aber auch besondere Stähle benutzt werden, mit denen andere Ausdehnungsverhältnisse erzielbar sind. Mit Edelstahl z. B. auch 1 :1. Bei Kolben mit einem Eingangsdurchmesser von 30 cm und mehr cm ist es zweckmäßig, Edelstahl für die

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15 In der Fig. 1 ist mit 1 ein vakuumdichtef Kolben bezeichnet, der an seinem einen axialen Ende mit einem Fenster 2 aus Aluminium verschlossen ist Hinter dem Fenster 2 liegt ein aus Aluminium bestehender Träger 3, der mit einer Lcuchtstoffschicht 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 2 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 F i g. 2 ist ersichtlich, daß das Eingangsfenster 2,

von etwa 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 genügend Anlegefläche erhalten.

Eine Verbesserung der Dichtung ist erzielbar, wenn man am inneren Rand des äußeren Teils des Rahmens an der Fläche, an welcher die Umbiegung des Fensters anliegt, parallel zu ihrem äußeren Rand verlaufende Wülste usw. anbringt. Diese drücken sich beim J5 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 nur darauf an, daß sich beim Eindruck in das Material des Fensters eine dichte Verbindung bildet.

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

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

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

in der F i g. 3 ebenfalls vergrößert ein Ausschnitt, bei dem der äußere Ring zugleich ein Teil des anzuschließenden Rohres ist «

Form einer Kappe hat, deren Rand nach außen Umgestülpt ist. Als Rahmen ist außen herum ein Ring 17 gelegt Dieser besteht wie der Kolben 1 aus Stahl. Außerdem besitzt der Ring 17 nahe seinem oberen Rand an der Innenseite eine Wulst 18, die im Querschnitt dreieckige Form aufweist, so daß sich beim Zusammenpressen vakuumdichter Sitz ergibt Die besondere Festigkeit ergibt sich daraus, daß sich an der Innenseite der Ur itülpung 19 ein kräftiger Ring 20 aus Stahl befindet Durch die Verwendung von Aluminium für das Fenster 2 und Stahl für die Ringe 17 und 20 wird im Sinne der Erfindung eine vakuumdichte Einklemmung des Fensters 2 erhalten.

Die in F i g. 3 dargestellte Röntgenröhre umfaßt in Übereinstimmung mit dem Bildverstärker nach Fig. 1 und 2 einen Vakuumkolben 21. In diesem ist gegenüber einer Kathode 22 eine Anode 23 angeordnet. Der wesentliche Unterschied zum Bildverstärker besteht darin, daß in dieser Röhre außerhalb ihres Kolbens 21 zu benutzende Röntgenstrahlen an der Anode 23 erzeugt werden. Um den Austritt der Strahlen zu erleichtern, ist ein Fenster 24 der Anode 23 zugeordnet Dieses Fenster 24 besitzt einen als rohrförmige Ausstülpung in der Wand des Kolbens 21 eingebrachten Rahmen 25. In diesem ist eine 1 mm dicke Scheibe 26 aus Aluminium mit topfförmig hochgezogenem Rand so eingesetzt, daß ihre Seitenwände 27 an der Innenseite des Rahmens 25 anliegen. Dabei ist eine Wulst 28 dreieckigen Querschnitts wie bei der Ausführung nach F i g. 1 unter Verbesserung der Dichtung in die Wand 27 eingedrückt An der Innenseite der Wand 27 liegt der Ring 29 an entsprechend dem Ring 20 in F i g. 1 und 2. Bei dieser Ausbildung des Fensters 24 kommt man ohne einen als Rahmen dienenden zusätzlichen Ring 17 aus. Hier wird ein rohrförmig ausgestülpter Teil der Wand des Kolbens 21 selbst als Rahmen benutzt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abdichtung für ein Röntgenstrahlendurchgangsfenstor in einem evakuierten Gefäß, das einen rohrförmigen Ansatz hat, der mit einem rohrförmigen Rand des Fensters dicht verbunden ist, bei dem nach Patent 25 13 894 die Verbindung des Fensters mit dem Gefäß als auf dichten Preßsitz gebrachte Rohrverbindung ausgebildet ist, wobei in radialer Richtung auf den rohrförmigen Ansatz des Gefäßes der rohrförmige Rand des Fensters und dann ein Ring folgen, und bei dem der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials, aus dem der rohrförmige Rand des Fensters besteht, größer als derjenige des Ansatzes und des Ringes ist, während der Wärmeüusdehnungskoeffizient des den Ansatz bildenden Materials wenigstens demjenigen des Ringes entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Rand (19,27) des Fensters (2,26) in den rohrförmigen Rand eines Rahmens eingesteckt ist, derart, daß die Rohröffnungen in gleiche Richtung weisen und daß der Ring (20,29) in die öffnung des rohrförmigen Fensters (2,26) eingesetzt ist.

2. Abdichtung für ein Röntgenstrahlendurchgangsfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Fensterscheibe (2, 26) verschlossene Rohr (17, 27) did Form einer Kappe hat, deren Rand (19,27) umgebogen ist

3. Abdichtung für ein Röntgenstrahlendurchgangsfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere (17,25) und der innere (20, 29) Ring aus Stahl und das dazwischenliegende Fenster (2,26) aus reinem oder .egiertem Aluminium besteht.

4. Abdichtung für ein Rö; rgenstrahlendurchgangsfenster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Ring (20,29) außen und der äußere Ring (17,25) innen konisch ausgebildet sind.

5. Abdichtung für ein Röntgenstrahlendurchgangsfenster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der aus Stahl bestehenden Ringe (17, 20 bzw. 25,29) an seiner mit Aluminium in Verbindung kommenden Fläche wenigstens einen um seinen Umfang herum verlaufenden Wulst (18,28) aufweist.

6. Abdichtung für ein Röntgenstrahlendurchgangsfenster nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wulst (18, 28) dreieckigen Querschnitt hat, wovon die Spitze des Dreiecks nach innen weist.

7. Verfahren zur Herstellung der Abdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile übereinandergesteckt, ineinandergepreßt und dann auf 400 bis 500°C erhitzt werden.

Die Erfindung betrifft eine Abdichtung für ein Röntgenstrahlendurchgangsfenster nach Patent 894.

Fenster für durchdringende Strahlen werden bekanntlich bei als Strahlenquelle verwendeten Röntgenröhren, also Hochvakuumföhren, 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 durchdrin^ gende Strahlen, wie etwa Gammastrahlen, von Isotopen

zur Registrierung in Signale umgewandelt werden sollen, braucht man Strahlendurchgangs-, d.h. sogenannte Eingangs-Fenster. 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 usw. bekannt

Bei bekannten Röhren bestehen Metallfenster, die Röntgenstrahlen, Gammastrahlen usw. 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 34 19 741 und DE-AS 14 64 377). 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. DE-OS 21 51 079). 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 üblichen 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 durchzuführen (vgl. z. B. Philips Techn. Rundschau 21. Jahrg. (1959/60) Nr. 10. S. 272).

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. DE-AS 23 31210). 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