DE2727404C2 - Anode für Drehanoden-Röntgenröhren - Google Patents

Description

dadurch gekennzsichn°t, daß die Form der Anode durch die folgende Gleichung bestimmt ist:

W~(n~r\) tan Θ

ψ = arc ian — -

r-2—Γο

wobei:

/ο ist der Radius der rückwärtigen nicht abgeschrägten Fläche (75),

Γ] ist der Radius der nicht abgeschrägten Vorderfläche (72),

r₂ ist der Gesamtradius der Anode,

W = T— E, wobei T die Gesamtdicke der Anode und Edie Dicke der Randkante der Anode ist,

θ ist der Winkel zwischen der nach rückwärts abgeschrägten Vorderfläche (79) und einer Ebene senkrecht zur Drehachse, und

Φ ist der Winkel zwischen der rückwärtigen nach vorn abgeschrägten Fläche (77) und einer Ebene senkrecht zur Drehachse.

Eine derartige Anode ist in der US-PS 38 36 807 beschrieben. Dort sind die Anoden im wesentlichen als Scheiben oder Teller mit einem Ringbereich auf ihrer Vorderfläche, welcher die Brennfleckbahn bildet, und mit einer Abschrägung konzentrisch zur Drehachse beschrieben, welche nach rückwärts gerichtet ist.

Wenn ein Röntgenologe eine Röntgendurchleuchtung durchführt, dann wird die Röntgenröhre mit niedriger Leistung und niedriger Drehzahl der Anode betrieben. Wenn jedoch ein interessierender Bereich gefunden wird, für welchen eine Röntgenaufnahme gewünscht wird, dann muß die Anode in der kleinstmöglichen Zeit auf maximale Drehzahl gebracht werden, um eine Belichtung mit hoher Leistung auszuführen, und es ist daher erwünscht, daß das Target ein geringes Trägheitsmoment besitzt.

Ein Weg zur Verringerung des Trägheitsmomentes besteht darin, den Hauptteil der Anode aus Molybdän auszuführen, welches eine geringere Dichte als Wolfram besitzt, jedoch nicht mit dem gleichen Wirkungsgrad Röntgenstrahlung erzeugt wie das Wolfram. Es wurde daher allgemein üblich, die Bahn für den Brennfleck mit einer Legierung höherer Dichte aus Wolfram und bis zu 10% aus Rhenium zu belegen, wobei diese Legierung bekannte erwünschte Eigenschaften besitzt In manchen Fällen werden bis zu 35% des seltenen und teueren Rhenium verwendet Weiterhin wird angenommen, daß der Bimetalleffekt zwischen der Oberflächenschicht aus Wolfram-Rhenium und dem Molybdänsubstrat ein Hauptfaktor für das Verwerfen von Anoden ist Das Molybdän besitzt einen Ausdehnungskoeffizienten, der etwa 12% größer ist als der Koeffizient für Wolfram, und bewirkt daher das Entstehen innerer Spannungen. Diese besitzen eine Tendenz, die Anode gerade zu strekken, d. h. die Anode verwirft sich so, daß die abgeschrägte Fläche für die Brennfleckbahn an der Anode gekrümmt und nach vorn in Richtung der Elektrorenstrahlquelle abgebogen wird. Ein Hauptfaktor ist die Ringspannung, welche an Anoden m:'. konventioneller Raumform bei höheren Temperaturen und Drehzahlen entsteht.

Es wurden Versuche unternommen, um das Verwerfen der Anode zu reduzieren durch eine Verringerung des Bimetalleffektes. Ein in der US-PS 38 36 807 beschriebener Versuch bestand in der Zufügung einer Zwischenschicht aus Wolfram innerhalb des Molybdänsubstrats, unterhalb der Wolfram-Rheniumschicht in der Nähe der Oberfläche der Anode, um auf diese Weise dem Bimetalleffekt zwischen der Oberflächenschicht aus Wolfram-Rhenium und dem Substrat bedingt durch ihre unterschiedliche Wärmeausdehnung entgegenzuwirken. Diese Lösungswege besitzen eine Anzahl von Nachteilen:

2. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius r₀ der rückwärtigen, nicht abgeschrägten Oberfläche (75) im Bereich von 0,5 η bis 1.5 r, liegt.

3. Anode nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers (2o) zur Dicke (T) der Anode maximal 10 : 1 und minimal 4 : 1 beträgt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anode für eine Drehanoden-Röntgenröhre gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches I.

(1) Die Einfügung der Wolframschicht ist kostspielig und es ist schwierig, sie gleichmäßig vorzunehmen,

(2) jede Ungleichmäßigkeit der Schicht bewirkt schwerwiegende Abgleichprobleme,

(3) die Sprödigkeit des Wolframs bewirkt, daß die Anode stärker zur Rißbildung neigt, und

(4) die Einfügung des Wolframs, besonders am Außendurchmesser der Anode, vergrößert merklich das Trägheitsmoment der Anode und verlängert dadurch die Zeit zur Beschleunigung der Drehanode

b5 auf hohe Drehzahl, beispielsweise 10 000 Umdrehungen pro Minute.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anode der ein-

gangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß die inneren Spannungen vermindert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Dicke des Substratmetalls unter dem äußeren Durchmesser des Bereichs für die Brennfleckbahn an der Anode verringert wird. Die verrinderte Spannung in diesem Bereich führt zu einer Verringerung des Verwerfens der Anode. Das an der Stelle hinter dem Brennfleckbereich oder der Brennfleckbahn weggenommene Metallvolumen wird in dem mittleren Teil der Anode angeordnet, um die Festigkeit zu erhöhen und eine ausreichende kapazität zur Wärmespeicherung oder Wärmekapazität zu erhalten. Ein Hauptvorteil der Konzentration der Masse der Anode in der Nähe ihrer Drehachse besteht darin, daß ihr Trägheitsmoment verringert und daher ihre Beschleunigungszeit kleiner wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Besenreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 ist eine Schnittansicht einer Anode gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 2 zeigt einen Teil des Targets und die Winkel und Abmessungen, welche in der nachstehenden, für die Konstruktion verwendeten Gleichung (1) benutzt werden.

Die Ausführungsform nach Fig.2 zeigt anschaulich das Konzept der Verringerung der vom Substrat ausgeübten Spannungen durch Verringerung des Molybdänvolumens unter dem Bereich des Außendurchmessers der Brennfleckbahn am Target. Durch diese Verringerung des Substratvolumens wird die Kraft verringert, weiche in radialer oder Umfäfigsrichiung ausgeübt werden kann. Die Verringerung des Substratvolumens unmittelbar unter der Brennfleckbahn führt zu einem Betrieb dieses Volumens mit höheren Temperaturen und dies hat wiederum die Auswirkung einer Verringerung der Ringspannung in diesem Volumen, welche eine Neigung zur Deformierung des Targets besitzt. Die Wirksamkeit der verschiedenen Mechanismen zur Behebung von Spannungen in Metallen, beispielsweise die Beweglichkeit von Versetzungen und Glsitebenen, werden alle durch die höheren Betriebstemperaturen gefördert. Wie bereits zuvor angedeutet, wird dieses Metallvolumen in dem mittleren Bereich des Targets angebracht zur Verstärkung desselben. Die Vergrößerung der Dicke des mittleren Bereichs des Targets, wo die thermischen Gradienten geringer sind, ist ein Faktor, welcher zur Verringerung des Verwerfens beiträgt. Mit der Vergrößerung des Querschnitts wird die spezifische Belastung verringert oder, mit anderen Worten, kann ein dickerer Mittelbereich höheren Biegemomenten widerstehen. Das Verhältnis zwischen dem maximalen Durchmesser des Targets und der Dicke des Targets sollte vorteilhafterweise im mittleren Bereich in der Größenordnung von 4 :1 und 10 :1 liegen. Kleinere Verhältnisse zwischen Durchmesser und Dicke sind zulässig, Verhältnisse unterhalb 4,0 kjnnen jedoch zu relativ hohen Trägheitsmomenten und unerwünscht niedrigen Beschleunigungsgeschwindigkeiten für die Drehanode führen. Der Winkel der abgeschrägten Fläche 50 in F i g. 1 relativ zu einer Ebene senk: echt zur Achse des Targets kann typischerweise im Bereich zwischen 5° bis 35° für lange rückwärtige Abschrägongen bei einer Ausführungsform nach Fig. I liegen. Allgemein wird bei Vergrößerung des vorderen Abschragungswinkels der Targetflache 46 der rückwärtige Winkel der Fläche 50 verringeii, um das gewünschte Targetvolumen und Trägheitsmoment aufrechtzuerhalten.

Insbesondere zeigt die F i g. 2 die Beziehung zwischen Winkel θ der vorderen abgeschrägten Fläche und dem Winkel Φ für die rückwärtige abgeschrägte Fläche für eine Anode mit optimalem Trägheitsmoment und Beständigkeit gegen Verwerfungen, gemäß den Prinzipien der Erfindung und der Definition der nachstehenden Gleichung (1):

Φ = arc tan

W-(r₂-r,) lan θ

Γ2 — Γ0

Darin bedeuten:

/0 ist der Radius der rückwärtigen nicht abgeschrägten Oberfläche,

η ist der Radius der vordere.: nicht abgeschrägten Oberfläche,

/2 ist der Gesamtradius der Anode, und

W = T-E, wobei Γ die Gesamtdicke der Anode ist (ausgewählt nach der gewünschten Wärmespeidierkapazität) und E ist die Dicke der Randkante der Anode,

η wird dann aus ο und der tatsächlichen Länge des Brennflecks bestimmt.

/0 wird ausgewählt zwischen 03 η bis 1,5 r,

Werte von /Ό in der Nähe des unteren Endes des obenstebenden definierten Bereichs führen allgemein zu geringeren Trägheitsmomenten als Werte in der Nähe des oberen Endes des Bereichs.

E kann irgendein Wert größer als 2,5 mm sein in Übereinstimmung mit bewährten Konsiruktionsregeln für Hochspannungselektroden.

Beispielsweise wurde eine handelsniäßigt Ausführungsform eines Targets mit einem Gesamtdurchmesser von etwa 10 cm und einem mittleren nicht abgeschrägten Bereich an der Rückseite des Targets von etwa 5 cm mit einem Winkel θ von 11^c für die vordere Fläche und einem Winkel Φ von etwa 8,5° für die rückwärtige Fläche ausgestattet, wobei der vordere Winkel 15° und der rückwärtige Winkel etwa 6,0° ist. In jedem Falle muß eine Mindestdicke in dem Bereich unter der Brennfleckbahn von etwa 2,5 mm eingehalten werden, um ein radiales Reißen in diesem Bereich zu verhindern und auch noch genügend Material unter der Brennfleckbahn zu besitzen, um die mechanische Integrität der Anode bei hohen Betriebstemperaturen zu erhalten.

Die vergrößerte Dicke des mittleren Teils der Anoc^n, welche sich durch Umverteilung des Substratmetalls im Vergleich zu bekannten ergibt, ist ein Hauptfaktor für die Abseilwächung der Art von Verwerfung, welche sich aus einer Deformation des mittleren Bereichs ergibt. Eine theoretische Analyse der Anode in dem ein Abnehmen der Temperaturgradient von der Vorderseite zur Rückseite besteht, zeigt, daß an der Vorderseite der Anode ein Druck und an der Rückseite ein Zug ausgeübt wird. Das relativ große Volumen axis kälteren Materials nahe der Rückseite der Anode ist wesentlich starrer als das heißere Material mit geringerer Zugfestigkeit in der NShe der vorderen Bahnfläche. Daher wird die Zugfestigkeit des heißen Materials überschritten und es tritt eine plastische Verformung ein. Bei dem anschließenden Abkühlen der Anode werden solche Spannungen erzeugt, daß vorbekannte Anoden in Rieh-

tung der vorderen Fläche verformt werden.

Neben der Verwerfung tritt auch noch eine Verwerfung in dem abgeschrägten Teil der Anoden auf, wo in dem Volumen unmittelbar unter der Brennfleckbahn hohe thermische Gradienten vorhanden sind.

Der auslösende Mechanismus zur Verformung des abgeschrägten Teils der vorbekannten Anoden ist der gleiche Mechanismus, welcher auch zur Verformung des mittleren Teils dieser vorbekannten Anoden gemäß der vorstehenden Betrachtung führt. Die vorliegende Erfindung schwächt diese zweite Art der Deformation ab durch Verwendung der rückwärtigen abgeschrägten Fläche, welche ein Volumen in dem abgeschrägten Teil ergibt, in dem durch Temperaturgradienten erzeugten inneren Spannungen in einer solchen Weise umverteilt werden, daß das in dem Volumen entstehende Biegemoment verringert wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anode gemäß der Erfindung ist in h i g. I gezeigt, in diesem raue besteht das Substrat oder der Targetkörper 71 vorzugsweise aus reinem Molybdän. Das Substrat besitzt eine nicht abgeschrägte kreisförmige Vorderfläche 72 über einem durch die Punkte 73 und 74 begrenzten Durchmesser. Die Rückfläche 75 ist ebenfalls nicht abgeschrägt und kreisförmig auf einem Durchmesser zwischen den Punkten 76 und 77. Die Anode besitzt eine mittlere Bohrung 78 zu Befestigung auf einer sich drehenden Welle. Die vordere abgeschrägte Fläche 79. welche den Brennfleckbahnbereich bildet, ist nach rückwärts allgemein zwischen 6 und 17 Grad durch die verschiedensten Hersteller abgeschrägt. Die Brennfleckbahn besitzt eine Oberflächenschicht 80 aus Wolfram-Rhenium oder einer anderen Rheniumlegierung. Der Rand 81 des Anodenkörpers ist nach vorn unter Winkeln gemäß der Gleichung (I) in diesem Bereich abgeschrägt mit der Ausnahme, daß der Radius ri der Gleichung (!) hier als Radius bis zum Anfang des Ansatzes 82 gemäß F ; g. 1 definiert ist und das sonst in dem abgeschrägten Bereich vorhandene Metalle in den mittleren Bereich überführt ist. Der schwere mittlere Bereich zwischen den Oberflächen 72 und 75 ergibt eine niedrige innere Spannung und damit eine verringerte Neigung zum Verwerfen beim Erhitzen. Die Abschrägung 81 endet in einem radial verlaufenden Ansatz 82. Der radial verlaufende Ansatz 82 ermöglicht es. den Anodendurchmesser groß zu halten ohne wesentliche Hinzufügung von Masse, da der Metallabschnitt auf Radien außerhalb des Ansatzes 82 relativ dünn ist. Der Zweck des Ansatzes 82 besteht darin, den Durchgang von Streuelekiroden axial zur Anode auf ein Minimum zu bringen, wenn sich dieses in dem Kolben der Röntgenröhre befindet. Daher wird der Abschirmungseffekt einer großen Anode erreicht, jedoch ohne die Masse an dem Rand wie dies in vorbekannten Anodenkonstruktionen der Fall ist.

Allgemein ist zu den Anoden nach den F i g. 1 und 2 zu bemerken, daß das Entfernen des Materials von der Rückseite des Targets unter der Brennfleckbahn für die Elektronen das Verwerfen vermindert, eine totale Symmetrie bezüglich der Vorderfläche der Anode jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. In allen Fällen wurde Material von der Rückseite unter Winkeln von 5 bis 35° für die Bauform nach F i g. 1 und von 30 bis 45' für die Bauform nach F i g. 2 weggenommen und in allen Fällen war das Verwerfen der Anode vermindert bei Vergleichsprüfungen zum Vergleich der neuen Anoden mit bekannten unter schweren Belastungen. In allen Ausführungsformen wird eine Mindestdicke von mindestens 2,5 mm in dem Bereich unter der Brennfleckbahn beibehalten, um ein mögliches radiales Reißen dieses Bereichs zu vermeiden und auch genügend Material unter dem Bereich der Brennfleckbahn vorzusehen zur Herabsetzung der Gesamttemperaturen der Anode und zur Verhinderung äußerst steiler Wärmegradienten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:
   1. Anode für eine Drehanoden-Röntgenröhre mit

   — einer im wesentlichen aus Molybdän bestehenden Scheibe (71)

   — die Vorderfläche der Scheibe weist einen im wesentlichen nicht abgeschrägten mittleren Bereich (72) um die Scheibendrehachse herum und und einen angrenzenden ringförmigen Bereich (79) auf, welcher nach rückwärts unter einem ersten spitzen Winkel θ relativ zu einer Ebene senkrecht zur Drehachse abgeschrägt ist,

   — der nach rückwärts abgeschrägte Ringbereich weist eine Oberflächenschicht (80) auf, welche aus einer Rheniumlegierung mit bis zu 10% Rhenium und mit einem anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als Molybdän besteht und welche eine Fläche für den Brennfleck darstellt, auf welcher der Elektronenstrahl einer Röntgenröhre zur Erzeugung von Röntgenstrahlen auftrifft,

   — die rückwärtige Fläche der Scheibe weist einen praktisch nicht abgeschrägten mittleren Bereich (75) um die Scheibendrehachse herum und einen angrenzenden Ringbereich (81) auf, welcher nach vorn unter einem spitzen Winkel Φ relativ zur Ebene senkrecht zur Scheibendrehachse abgeschrägt ist,