DE2618235C3

DE2618235C3 - Röntgenröhren-Drehanode

Info

Publication number: DE2618235C3
Application number: DE2618235A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Phys. 8521 Kleinseebach Friedel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-04-26
Filing date: 1976-04-26
Publication date: 1983-01-13
Also published as: FR2349953B1; CH613307A5; US4271372A; FR2349953A1; DE2618235B2; ATA871576A; DE2618235A1; AT355685B

Description

Die Erfindung betrifft Röntgenröhren-Drehanoden nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Anoden für Röntgenröhren, die aus einem schwerschmelzbaren porösen Material bestehen und einen ebenfalls schwerschmelzbaren dichten Überzug aufweisen, sind etwa bekannt aus der DE-OS 23 36 943.

In der DE-OS 71 11689 ist eine Drehanode für Röntgenröhren beschrieben, die aus einer dünnwandigen stabilen Hülle besteht, die mit einem gut wärmekonvektionierenden Stoff gefüllt ist. Die Füllung soll einen Teil des sonst üblichen Anodenmaterials im Anodenkörper ersetzen, weil das übrige Material Wärme relativ langsam leitet. Durch das Ersatzmaterial soll wegen der Wärmekonvektion der Wärmeaustausch wesentlich schneller erfolgen. Nur noch die Hülle selbst braucht aus dem hinsichtlich der Wärmeableitung ungünstigeren Material zu bestehen. Sie muß aber stabil sein, um die thermische Ausdehnung der Füllung ohne Verziehen der Brennfleckbahn überstehen zu können. Damit ist aber die Ausnutzung der Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit des Füllmaterials beschränkt, weil sowohl bei der Einführung der Wärme von der Brennfleckbahn aus als auch bei ihrer Abfuhr an eine andere Stelle der Oberfläche die Hülle durchsetzt

werden muß.

Bei Anoden nach der DE-OS 23 36 943 besteht der Anodenkörper aus einem mehrlagigen Aufbau mit einem isotropen Graphitkörper, der mit einer an seiner 5 Oberfläche haftenden und diese abdichtenden Beschichtung versehen ist. Diese zur Erzielung eines thermisch stabilen Körpers benutzte konstruktive Lösung zur Angleichutig der Ausdehnungskoeffizienten hat sich aber in der Röntgentechnik nicht einführen können, weil

ίο der Wärmeübergang aus dem Metallring in die mehrlagigen, beschichteten Graphitteile ungenügend isL

Aus der DE-OS 23 13 674 ist ebenfalls eine Röntgenröhren-Drehanode mit einem Körper aus schwer schmelzbarem Material, beispielsweise Sintergraphit bekannt, der an seiner äußeren Oberfläche dicht mit einer schwer schmelzbaren Schicht umhüllt ist. Wegen der angestrebten Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität ist die Oberfläche des Körpers aus schwer schmelzbarem Material mit Vertiefungen (Rillen) versehen, in die das Materia! der schwer schmelzbaren Oberflächenschicht eindringen kann. Bei der Auswahl der verwendeten Materialien für den Oberflächenüberzug muß neben der Wärmeleitfähigkeit immer auch auf die Schwerschmelzbarkeit des Materials geachtet werden.

Der Erfindung lie^t die Aufgabe zugrunde, bei einer Röntgenröhren-Drehanode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Erzielung höherer Belastbar-

jo keiten die thermische Stabilität des Anodenkörpers insbesondere im Hinblick auf die Vermeidung von Wärmeverzug und Belastbarkeit zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebenen Maßnah-

}5 mengelöst.

Zur Ausfüllung der Poren des porösen Körpers kann damit ein Stoff verwendet werden, der vor allem im Hinblick auf seine gute Wärmeleitfähigkeit ausgewählt werden kann, während dessen 'jrhmelztemperatur weniger wichtig ist. Hierdurch wird eine Anode erhalten, welche neben Vorteilen der Stabilität von Schwermctallanodcn auch noch die günstigen thermischen Eigenschaften von Anoden aufweist, die aus einem die Wärme gutleitenden Material hergestellt sind. Wegen der Abstüt/ung der Umhüllung durch den porösen Körper kann diese dünn sein und erhält bessere Wärmedurchlässigkeit als die Hülle von Anoden, die einen Hohlkörper aufweisen, der mit wärmekonvektionierendem Stoff gefüllt ist.

Das Sintergerüst des porösen Körpers kann aus den in der Technik der Röntgenanoden bekannten Materia l:;n bestehen. Zu bevorzugen sind dann etwa Wolfram (W). Molybdän (Mo), Niob (Nb). Chrom (Cr). Vanadium (V). Titan (Ti) und Kohlenstoff (C). wie Graphit.

Außerdem sind auch Verbindungen, wie Legierungen und Carbide etc, verwendbar, wenn sie ausreichend methanisch und thermisch stabil sind. Als Füllmaterialien des porösen Körpers sind Werkstoffe angezeigt, bei denen der Wert des Produkts aus Wärmeleitfähigkeit.

Dichte und der spezifischen Wärme groß ist. Solche Materialien sind z. B. Metalle aus der Gruppe Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu), Aluminium (Al).

Zur Herstellung einer Anode kann das Sintergerüst des porösen Körpers etwa unter Verwendung der

schwerschmelzbaren Stoffe als körniges Material zu dem Anodenkörper gesintert werden, derart, daß ein Körper hoher Porosität erhalten bleibt. Zur Füllung mit Wärmeleit- und Speichermaterial im Sinne der Erfin-

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dung brauchbare Porendurchmesser können dabei in Größenordnungen von μίτι bis mm erhalten werden. Gut herstellbar und damit gut geeignet sind Durchmesser von ca. 10 bis ΙΟΟμιτι. Dem Ausgangspulver kann auch ein solches der gewünschten Einlagerung aus thermisch günstigem Material beigegeben sein. So enuiehi von vornherein ein poröser Körper, der ein schwerschmelzbares Gerüst aufweist, welches mit leichter schmelzendem, a^er anderweitig thermisch günstigerem Material gefüllt ist.

Ist zuerst der poröse Körper hergestellt worden, so ist er nachträglich etwa durch Einschmelzen mit dem gewünschten Wärmeaufnahmematerial zu füllen. Dabei kann auch ein Unterschied des Wärmeausdehnungsvermögens berücksichtigt werden, indem ein Rest an π Porosität frei bleibt. Durch diese auch als Unterschußtränkung zu bezeichnende Füllung der Poren des porösen Korpers kann erreicht werden, daß Schwierigkeiten durch die Wärmeausdehnungsunterschiede beim Übergang des gut wärmeleitenden Füllmetalls in die flüssige Phase eliminiert werden.

Der nach obigen Methoden hergestellte eigentliche Anodenkörper wird schließlich mit dem dichten Überzug versehen, der einerseits die Elektronenauftrefffläche und andererseits die Abschließung des porösen Körpers gegenüber dem Vakuum bewirkt. Als Materialien kommen auch hier die in der Röntgentechnik üblichen, als Gerüstgrundsubstanz verwendeten Materialien in Frage. Sie können in der Form von Blech verwendet werden, aus dem ein entsprechender Topf gefertigt wird, der auch einen Deckel aufweist, in welchen der Anodenkörper paßt. Abschließend wird dann der Deckel dicht mit dem Topf verschweißt, so daß ein hermetischer Abschluß des Anodenkörpers erreicht wird. Andererseits können aber auch andere Herstellungsmethoden verwende? werden, etwa der direkte Überzug des Anodenkörpers durch Beschichtung, etwa Aufdampfung, chemische Auftragung (CVD), Plasmaspritzen etc. Auch gemischt sind die vorgenannten Methoden an\ endbar, etwa so. daß die eine Oberfläche durch Beschichten belegt wird, während der Rest durch Auflöten eines Bleches abgedichtet wird. Letzteres kann den Vorteil bieten, daß noch eine Graphitscheibe ohne Schwierigkeiten aufgelötet werden kann. In der Regel wird sich eine Schichtdicke von mindestens 0.1 mm als erforderlich erweisen. *eil sonst die Vokuumdichtigkeit nicht gewährleistet ist. Bei der Verwendung von Blech »ollte man davon ausgehen, daß die Beschichtung einerseits dicht und andererseits mechanisch stabil wird. Bei der Benutzung von Vulybdän ist dazu eine Dicke des Bleciie·» von 0.3 mm und mehr günstig. Zur Verschweißung verwendet dian ein Schweißverfahren, wie etwa Elektronenstrahlschweißung. Auch eine Verlötung kommt in Frage.

Durch Blechumformung wird ein Anodentopf und ein Deckel aus Wolfram oder Molybdän hergestellt. Durch richtige Wahl der Sintertemperatur wird der poröse Körper als ein Sintergeriist aus Wolfram (W). Molybdän (Mo) oder Niob (Nb). Chrom (Cr), Vanadin (V) bzw Titan (Ti) oder Legierungen davon mit einer Porosität von 20 bis 60 Volumen-% hergestellt. Durch Eintauchen oder Auflegen und Erschmelzen des gut wärmeleitenden Werkstoffes aus Kupfer, Aluminium. Silber etc. wird der Sinterkörper mit dem Metall vorzugsweise bis auf eine Restporositä! von weniger als I Volumen-% aufgefüllt, welche für die Wärmeausdehndung und Schmelzvolumenvergrößcriing erforderlich ist. Der so hergestellte getränkte poröse Körper wird in den

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65 Anodentopf gelegt urd mit dem Deckel verschlossen. Abschließend wird mit einem Elektronenstrahl vakuumdicht der Rand des Deckels mit dem Rund des Topfes verschweißt

Eine Anode kann auch erhalten werden, indem ein wie im Beispiel 1 hergestellter poröser Körper von seiner einen Seite her mit Schwermetall, wie Wolfram, Molybdän etex, durch Plasmaspritzen, chemisches oder thermisches Abscheiden aus der Dampfphase beschichtet wird. Danach wird der poröse Körper von der während des Beschichtens auf der Unterlage liegenden Rückseite her mit gut wärmeleitendem Metall, wie Kupfer, Silber eto, getränkt. Anschließend wird auch diese Seite geschlossen, indem ein Molybdänblech von 0,3 mm oder mehr Stärke entsprechend der Abmessung daraufgelegt und am Rand mit der eingangs aufgebrachten Beschichtung entsprechend derr Beispiel 1 verschweißt wird.

Das Sintergerüst eines nach obengenanntem Beispiel hergestellten porösen Körpers aus W-'fram, Molybdän etc. kann auch durch Anschmelzen ar der Oberfläche etwa mittels Elektronenstrahl eine dichte Oberfläche erhalten. Die dann an der gegenüberliegenden Seite noch porenhaltige Räche wird durch Auflagetränkung oder Tanchtränkung mi! dem gut wärmeleitfähigen Material nach den vorhergehenden Beispielen gefüllt und anschließend kann durch anderweitiges Beschichten bzw. durch Verschweißen mit einem Blech entsprechend den verhergehenden Beispielen auch der noch offene Teil das porösen Körpers geschlossen werden.

Weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiele erläutert. In der

Fig. I ist in Außenansicht eine Drehanoden-Röntgenröhre dargestellt mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Drehanode, die zur Erläuterung aufgebrochen ist. in der

Fig. 2 eine Hälfte der Drehanode nach F i g. 1 im Schnitt, in der

F · £. 3 der Schnitt durch eine Hälfte einer Anode, deren Überzug ganz aus Blech hergestellt ist. und in der F i g. 4 eine modifizierte Ausfuhrung nach F i g. 3.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein Vakuumkolben aus Glas bezeichnet, der die Teile einer Röntgenröhre 2 einschließt. Dabei stehen sich im Kolben in bekannter Weise eine Kathodenkombination 3 .ind eine Anodenkombination 4 gegenüber. Die Kombination 3 besteht aus einer Halterung 5, mit der eine abschirmende Hülle 6 für eine in der Zeichnung nicht sichtbare Glühkathode an der Innenseite der einen Stirnwand des Kolbens 1 befestigt ist. Die Anodenkombination 4 besteht in bekann'er Weise aus einem Rotor 7, einer Achse 8 und einem damit verbundenen Anodenteller 9. Die Kombination 4 kann durch einen in der Gegend dis Rotors 7 aus an die Röhre herangebrachten, hier nicht dargestellten Stator in Drehung versetzt werden. Der Anodenteller 9 besteht aus dem erfindungsgemäß mit Silber gefüllten porösen !«örper 10 aus Wolfram und ist an seiner Oberseite mit einer Schicht 11 aus Wolfram bedeckt. Die Schicht II hat eine Stärke von 0,1 mm und mehr. An der Unterseite des Körpers i0 i>>t ein Deckel 11' an seinen Rändern mit der Schicht 11 verschweißt. Der gesamte Teller ist mittels einer Schraube 12 unter Druck auf das Widerlager 13 an der Achse 8 festgehalten.

Zur Erzeugung von Röntgenstrahlen wird in bekannter Weise HochsDannune zwischen einer der Leitungen

14 und 15 und einem Anodenanschlußsiulzen 16 angelegt. Die Heizspannung für die in der Zeichnung nicht sichtbare Glühkathode wird /wischen den Leitungen 14 und 15 angeschlossen, so daß auf der Oberfläche des Metaliteils 11 in einer mit 17 angedeuteten Brennfleckbahn Elektronen auftreffen. Bei dieser Beaufschlagung wird das Metall der Schicht 11 erhitzt. Diese Wärme wird an der Grenzfläche dem Körper 10 mitgeteilt und dort einerseits verteilt und andererseits durch Strahlung an die Umgebung abgegeben. Wie oben bereits dargelegt, ergibt sich wegen der Tränkung des porösen Körpers aus Wolfram mit Silber eine bessere Wärmekapazität und andererseits erfolgt wegen der besseren Leitfähigkeit eine beschleunigte Ableitung der Wärme.

In der F i g. 2 ist im Schnitt die eine Hälfte des Tellers 9 deutlicher vergrößert herausgezeichnet. Dabei sind durch gekreuzte Linien 18 die Wände der Poren des porösen KüipcfS 10 SUS »τΌιιΓ«

Poren 19 verbleibenden Zwischenräume sind mit Silber gefüllt. Die Schicht 11 ist aus Wolfram durch Plasmaspritzen aufgebracht und 0.5 mm stark. An der äußeren unteren Kante und an der inneren, am Achsdurchbruch 22 liegenden oberen Kante befinden sich Schweißnähte 20 und 21, mit denen die untere, aus einem Wolframblech bestehende Abschirmung 11' mit der Schicht 11 vakuumdicht verbunden ist.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Abwandlung besteht das Sintergerüst des porösen Körpers 10' aus Wolfram (W) und hat zwischen den Wänden 18' Zwischenräume, d. h. Poren 19', von einem Durchmesser von 50 μηι. Diese sind mit Kupfer (Cu) gefüllt. Der poröse Körper 10' ist von einem Gehäuse aus Schalen 27, 28 aus WoIfnimblech umschlossen, welches eine Wandstärke mn 0,5 mm aufweist. Die Schalen 27, 28 weisen einerseits an > der äußeren Peripherie der Anode 9' und andererseits an einem Achsdurchbruch 22' an der Unterseite Ansätze 25 und 26 auf. An ihrem äußeren F.nde sind die beiden Ansätze 23 und 24 bzsv. 25 und 26 jeweils bündig abgeschnitten und. wie durch 20' und 21' angedeutet.

in miteinander verschweißt. Als Schweißverfahren ist dabei Flektronenstrahlsehweißcn heniit/i.

Hei der Ausführung nach I i g 4 besteht das schwerschmclzbare Gerüst des porösen Körpers 10' aus Graphit (G) und seine /wischen den Wänden 18'

Γι liegenden Poren 19" sind mit Silber (Al') gefüllt. Hei dieser Ausführung der Anode 9" sind die Schalen 27' und 28' wie bei der Ausführung nach I i g. J aus Blech hergestellt, nur daß die an der Peripherie angebrachten

Qj_e öle iniili« 11' nnrl ta.' in <li» trloi.lin IJ i<h 11 m.i

Ansätze 25' und 26' am Achsdurchbruch 22 ' weisen. Auch hier ist am bündigen Außenrand der Ansätze 23', 24' und 26' eine Schweißung 20" und 21" /ur Verbindung der Schalen 27' und 28' miteinander angebracht.

2^ri Zur Förderung der Wärmekapazität und Abstrahlung kann in an sich bekannter Weise an der Unterseite der Anode 9, 9' oder 9", d.h. etwa in Fig.} an der Unterr ,'te der Schale 28, eine ca. 10 mm starke Scheibe aus Graphit angelötet sein (vergleiche /.15. DF-PS

so 19 51 383).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Röntgenröhren-Drehanode mit einem porösen Körper au.» schwerschmelzbarem Material guter Wärmeleitfähigkeit und guter Wärmekapazität, der an seiner äußeren Oberfläche dicht mit einer schwerschmelzbaren Schicht umhüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Poren (19, 19', 19") ein Stoff eingefüllt ist, der Wärme gut leitet und bei dem der Wert des Produkts aus Wärmeleitfähigkeit, Dichte und der spezifischen Wärme wie bei den Metallen aus der Gruppe Silber (Ag), Gold (Au), Kupfer (Cu), Aluminium (Al) groß ist.

2. Anode nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus einem Blechtopf (Schale 27, 27') besteht, in den der Anodenkörper (10', 10") paßt und der mit einem Deckel (Schale 28,28') dicht verschlossen ist (20', 21' b/w. 20", 21").

3. Anode nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der umhüllung als fest haftende Schicht (II) auf dem porösen Körper (10) ausgebildet ist. während der übrige Teil ein damit verbundenes Blech (1Γ) ist.

4. Anode nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper (10, 10', 10") aui der Gruppe von Wolfram (W). Molybdän (Mo). Niob (Nb), Chrom (O). Vanadin (V). Titan (Ti) oder Koh lenstoff (C) b/w. Verbindungen dieser Stoffe untereinander oder mit anderen schwerschmel/baren Materialien l·. .-rgestcllt ist und daß der Überzug aus den gleichen Materialien aus{">wählt ist und daß in die Poren (19, 19', 19") ein Metall aus der Gruppe von Silber (Ag). Gold (Au). Kup'er (Cu) und Aluminium (Al) bzw. eine mindestens überwiegend wenigstens eines dieser Metalle enthaltenden Legierung eingefüllt ist.

5. Anode nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Poren (19, 19', 19") einen Durchmesser von ΙΟμπι bis ΙΟΟμπι haben.