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Anodenbaueinheit
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Die Erfindung bezieht sich auf Anodenbaueinheiten für Röntgenröhren
mit rotierender Anode und im besonderen auf die Verbindung der Anodenscheibe mit
dem Anodenfuß.
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Die Anodenbaueinheit für eine Röntgenröhre mit rotierender Anode besteht
aus einer Anodenscheibe, die ein Target aus einer Wolframrheniumlegierung umfaßt,
das mit einer Basis oder mit einem Substrat verbunden ist, das aus Molybdän oder
einer Molybdänwolframlegierung besteht. Die Anodenscheibe ist mit einem Fuß verbunden,
der seinerseits an dem Rotor eines Induktionsmotors befestigt ist. Der Fuß kann
aus Niob bestehen, Ein Verfahren zum Verbinden des Substrates mit dem Fuß schließt
das Kaltverformen gefolgt von einer Wärmebehandlung ein, um eine Diffusionsverbindung
zwischen den Komponenten herzustellen. Um jedoch eine gute Diffusionsverbindung
zu erhalten, muß man das Verfahren in Beachtung genauer Messungen und unter Einhaltung
einer guten Sauberkeit ausführen. Die Abmessungen des Außendurchmessers des Fußes
und des Innendurchmessers des Loches
im Substrat müssen sehr genau
übereinstimmen. Im Idealfalle wird ein Festsitz bzw. eine Passung zur Herstellung
einer guten Diffusionsbindung geschaffen. Ein solcher Festsitz hängt jedoch vom
Grad der Oberflächenbeschaffenheit und Oberflächenreinheit ab. Ist das anfängliche
Ausmaß der innigen Berührung zwischen Fuß und Substrat nicht ausreichend, dann erhält
man eine unvollständige Diffusionsverbindung. Eine solche unvollständige Verbindung
zwischen Fuß und Scheibe stellt einen Strukturfehler dar. Ein solcher Fehler kann
unter dem Einfluß der Rotationsbelastungen und der zyklischen thermischen Belastungen
zu einem katastrophalen Versagen der Anodenscheibe führen.
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Durch die vorliegende Erfindung wird eine neue und verbesserte Anodenbaueinheit
für Röntgenröhren mit rotierender Anode geschaffen. Die Anodenbaueinheit umfaßt
einen Fuß, der mittels Trägheits- bzw. Schwerkraft -schweißen an einer Scheibe befestigt
ist. Die Scheibe schließt ein Substrat mit einem zentralen und einem einstückig
damit ausgebildeten Außenteil ein. Die beiden entgegengesetzten Hauptoberflächen
des Substrates sind die innere bzw. die äußere Oberfläche des Sub -strates, das
vorzugsweise eine schalenförmige Konfiguration aufweist. Ein integral mit dem Substrat
ausgebildeter Ansatz befindet sich an der inneren Oberfläche des zentralen Teiles
des Substrates. Die Längsachse des Ansatzes ist mit der Vertikalachse des Substrates
ausgerichtet. Die Längsachse des Fußes ist ebenfalls mit der Vertikalachse des Substrates
ausgerichtet. Die Schweißverbindung wird an den aneinanderstoßenden Flächen des
einen Endstückes des Fußes und der Oberfläche des Ansatzes gebildet. Ein Röntgenstrahltarget
ist an einer ausgewählten äußeren Oberfläche
des Außenteils des
Substrates befestigt.
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Das Material des Substrates ist vorzugsweise Molybdän.
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Das Material des Fußes kann Niob oder eine Nioblegierung sein, z.B.
Nb 291, Nb 103 oder Nb-1Zr.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert. Im einzelnen zeigen Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt einer
Scheibe einer Anodenbaueinheit, Figo 2 eine Seitenansicht im Schnitt eines Fußes
einer Anodenbaueinheit und Figo 3 eine Seitenansicht im Schnitt einer fertigen Anodenbaueinheit.
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In Figur 1 ist eine Scheibe 10 zur Verwendung für eine Anode in einer
Röntgenröhre mit rotierender Anode gezeigt. Die Scheibe 10 umfaßt eine Basis bzw.
ein Substrat 12 mit einer schalenförmigen Konfiguration aus einem zentralen Teil
14 und einem damit integral ausgebildeten äußeren Teil 16. Der zentrale Teil 14
weist die innere Oberfläche 18 und die äußere Oberfläche 20 auf. Der äußere Teil
16 des Substrates hat die innere Oberfläche 22 und die äußere Oberfläche 24. Zentral
auf der inneren Oberfläche 18 erhebt sich ein Ansatz 26, der einstückig mit dem
zentralen Teil 14 ausgebildet ist. Dieser erhobene Ansatz 26 weist eine zentrale
Achse auf, die mit der zentralen Achse der Scheibe 10 zusammenfällt. Weiter hat
der Ansatz 26 eine seinem Querschnitt entsprechende Oberfläche 27. Das Material
des Substrates bzw. der Basis 12 kann Molybdän oder eine Molybdänlegierung wie Molybdän
mit 5 Gewichtsprozent Wolfram oder irgendein anderes geeignetes Material sein, das
den
Betriebstemperaturen von 1000 bis 13500C, den raschen Heizzyklen
von Zimmertemperatur bis zur Betriebstemperatur und einem Minimum von 10 000 Betriebszyklen
widersteht. Das Molybdänsubstrat kann Material umfassen, das geschmiedet und rekristallisiert
wurde oder das aus gepreßtem gesintertem und geschmiedetem Material erhalten wurde.
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Auf der äußeren Oberfläche 24 des Außenteiles 16 der Scheibe 10 befindet
sich eine Schicht 28aus einem Metall, das als Röntgenstrahltarget wirken kann. Dieses
Metall kann Wolfram oder eine Wolframlegierung sein. Eine geeignete Wolframlegierung
ist eine mit 3 bis 10 Gew.% Rilenium.
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In Figur 2 ist ein Fuß 30 gezeigt, der aus einem geeigneten Material,
wie Niob, hergestellt ist. Andere geeignete Materialien für diesen Fuß sind Nioblegierungen,
wie Niob291, Niob103 oder eine Nioblegierung mit 1 Gew.% Zirkon. Der Fuß 30 kann
eine innere Wandoberfläche 32 aufweisen, die eine Innenkammer begrenzt, durch die
die thermische Leitfähigkeit des Fußes verringert wird.
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Die Kammer weist eine Längsachse auf, die mit der Längsachse des Fußes
30 zusammenfällt. Der Fuß 30 weist einen einstückig damit ausgebildeten festen Endteil
34 auf, der eine Oberfläche 36 hat.
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Der Fuß 30 wird durch Trägheits- bzw. Schwerkraftschweißen mit der
Scheibe 10 verbunden. Bei diesem Verschweißen werden die beiden Komponenten an ihren
Oberflächen 27 bzw. 36 miteinander verbunden. Beim üblichen Trägheits- bzw. Schwerkraftschweißen
wendet man Druck in einer Stufe an, Da Molybdän und seine Legierungen, die
das
Material für die Scheibe 10 bilden, eine relativ hohe Ubergangstemperatur vom duktilen
zum spröden Zustand aufweist, ist es notwendig, die Scheibe 10 vor dem Anwenden
von Druck zum Verschweißen auf eine Temperatur von etwa 200 bis etwa 4000C vorzuerhitzen.
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Der Bereich des Axialdruckes, der erforderlich ist für ein erfolgreiches
Verschweißen der Komponenten, liegt 2 im Bereich von etwa 2 460 bis etwa 3520 kg
pro cm Das Trägheitsschwungmoment für den Fuß 30 liegt im Bereich von 3,8 bis 8
x 106gr cm2. Der Bereich der Rotation für den Fuß 30 liegt zwischen l 400 und 2
800 Umdrehungen pro Minute. Die Gesamtstauchung beträgt etwa 1 cm und der Metallverlust
bzw. die Gesamtkürzung des Fußes 30 beträgt 5 + 2,5 mm.
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Unter Anwendung der obigen Parameter für das Trägheitsschweißen erhält
man eine ausgezeichnete Schweißver -bindung 40. Die Untersuchung des Schweißverbindungsbereiches
zeigt, daß das Material dort eine feine Kornstruktur aufweist. Die Schweißverbindung
ist im wesentlichen frei von Hohlräumen und Spannungen, die bei Anodenbaueinheiten
vorhanden sind, die nach anderen Verfahren erhalten sind.
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Es kann auch ein Trägheitsschweißverfahren mit zwei Stufen angewandt
werden. Bei der Anwendung des Zweistufenverfahrens muß die Scheibe 10 nicht separat
vorerhitzt werden. In der ersten Stufe wird zum Rotieren des Fußes 30 eine hohe
Spindelgeschwindigkeit benutzt und zum Erwärmen der Scheibe 10 durch Reibung wendet
man eine geringe Axialkraft an. In der zweiten Stufe dagegen wendet man eine geringere
Spindelgeschwindigkeit zusammen mit einer höheren Axialkraft an, um den Fuß 30 mit
der
Scheibe 10 durch Trägheitsschweißen zu verbinden. Die dabei
erhaltene Schweißverbindung 40 weist wiederum ausgezeichnete physikalische Eigenschaften
auf. Der Gesamtbetrag der Stauchung beträgt etwa 1 cm. Der Metallverlust vom Fuß
30 beträgt 5 + 2,5 mm.
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In der folgenden Tabelle sind die Bedingungen für das Trägheitsschweißverfahren
mit zwei Stufen zusammengefaßt Tabelle Parameter Minimum Maximum bevorzugt Trägheits-
3,8 . 1o6 8 . 1o6 3,8 . 106 schwungmment in gr cm erste Axialkraft 1410 2020 1590
in kg erste Spindel- 4,000 4,800 4,500 geschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute
zweite Axial- 5000 6030 5680 kraft in kg zweite Spindel- 250 500 400 geschwindigkeit
in Umdrehungen pro Minute Stauchung 5 15 10 in mm Die obigen Werte für die Parameter
haben ausgezeichnete Schweißverbindungen ergeben, wenn die Oberflächen 27 und 36
in der Größenordnung von 2,85 cm2 (entsprechend
einem Durchmesser
von 19 mm) waren. Die Schweißenergie während des Reibungsheizzyklus für die Scheibe
10 lag 3 2 bei etwa 1,39 x 103 m kg/cm2.
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Die Wirkung des neuen Schweißverfahrens nach der vorliegenden Erfindung
wurde durch Versuche demonstriert, in denen man die Schweißproben bis zum Bruch
zogO In allen Fällen trat der Bruch entweder im Molybdänteil oder im Nioblegierungsteil
der Probe in einem guten Abstand von der Schweißfläche auf 0 Die Nioblegierung Nb
291 enthält, in Gew.-%, 10 W, 10 Ta und als Rest Nb. Die Nioblegierung Nb 103 enthält,
in Gew.-%, 10 Hf, 0,7 Zr, 1 Ti und als Rest Nb.