DE2816201C2

DE2816201C2 - Drehanode für Röntgenröhren

Info

Publication number: DE2816201C2
Application number: DE2816201A
Authority: DE
Inventors: Thomas Maurice Schenectady N.Y. Devine jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-04-18
Filing date: 1978-04-14
Publication date: 1986-11-27
Also published as: CH636478A5; DE2816201A1; ATA268078A; FR2388402A1; US4145632A; GB1602623A; AT382742B; JPS53140987A; JPS6026260B2; FR2388402B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehanode für Röntgenröhren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine Drehanode der vorgenannten Art ist in der DE-OS 22 63 820 beschrieben. Die bekannte Anode weist jedoch kein Verbundsubstrat auf. Es wird dort vielmehr nur von einem Graphitträger gesprochen, der eine Zwischenschicht trägt, die zwischen dem Graphitträger und einer Brennfleckbahn angeordnet ist. Auch erstreckt sich die Brennfleckbahn bei der Anode nach der DE-OS 63 820 in recht unwirtschaftlicher Weise über den gesamten äußeren Oberflächenbereich. Die Zwischenschicht besteht darüber hinaus aus einer Doppelschicht, nnH 2v/o»* einer stuf die Oberfläche des £3*·£·χν»ΐ*ί··ιΚ«*#**Λ-tes aufgebrachten Schicht aus Iridium, Osmium oder Ruhtenium und einer auf die vorgenannte Schicht aufgebrachten weiteren Metallschicht aus Tantal, Hafnium, Niob oder Zirkonium. Außerdem ist in der DE-OS 63 820 offensichtlich nicht erkannt worden, daß Iridium nachteilig ist, weil es, wie auf Seite 4 der DE-OS in der Mitte ausgeführt, Kohlenstoff hindurchdiffundieren läßt, der mit dem Tantal unter Bildung von Tantalkarbid reagiert Tantalkarbid führt unter den Betriebsbedingungen der Anodenscheibe nämlich zur Bildung von Wolframkarbid im angrenzenden Wolfram, insbesondes re da im Tantalkarbid Kohlenstoff löslich ist und dadurch unvermeidbar für die Umsetzung mit Wolfram zu Wolframkarbid zur Verfugung steht Da auch Hafnium, Niob und Zirkonium Karbidbüder sind, kann bei Verwendung der Unterschicht aus Iridium, das als einziges

ίο Metall der Unterschicht in einem ausführlichen Ausführungsbeispiel behandelt ist, die Bildung von Wolframkarbid nicht vermieden werden.

Die Langlebigkeit und Wirksamkeit von Röntgenröhren mit Drehanode kann dadurch verbessert werden, daß man Anodenscheiben verwendet, die eine große Wänneaufnahmekapazität aufweisen und die Wärme rasch wieder abfließen lassen. Graphit weist verglichen mit Molybdän und Wolfram, den anderen zur Herstellung des Substrats der Scheibe verwendeten Materialien, eine außergewöhnlich hohe Wärmekapazität auf. Bei 1000° C beträgt das Verhältnis der Wärmekapazität in relativen Einheiten von Graphit zu Molybdän 48 :7,4 und von Graphit zu Wolfram 48 :4,1. Das Strahlungsverhältnis bei 1000° C beträgt in beiden Fällen 0,85:0,i5.

Die Schwierigkeiten bei der Verwendung von Graphit als Substratmaterial besteht jedoch in der Verbindung der Brennfleckbahn mit dem Graphitsubstrat
Bekannte Anoden mit einem Graphitsubstrat verwenden Zirkonium oder Hafnium als geeignetes Material zum Verbinden der Brennfleckbahn mit dem Graphitsubstrat Diese beiden Materialien sind jedoch Karbidbilder, und es ergibt sich das Problem, wie man die Karbidbildung während des Verbindens und während der Lebensdauer der Anode von mindestens 10 000 Röntgenaufnahmen möglichst gering halten kann. Während des Betriebes der Röntgenröhre wird die Anode zyklischen Temperaturen ausgesetzt, die in der Größenordnung von 1200° C liegen, und daher ist die fortgesetzte Karbidbildung möglich. Die mechanischen Eigenschaften einer in einer solchen Anode gebildeten Karbidschicht können die Verwendung der Anode in Röntgenröhren mit Drehanode ausschließen, die einem thermischen Zyklus mit großer Amplitude ausgesetzt sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehanode der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Karbidbildung besser vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil

so des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Metallteller kann aus V/olfram, einer Wolframlegierung, Molybdän oder einer Molybdänlegierung bestehen.
Geeignete, kein Karbid bildende Materialien zur Verwendung in der verbindenden Metallschicht sind Platin, Palladium, Rhodium, Osmium und Ruthenium. Ist das Metall Platin, dann kann das Platin bis zu 1 Gew.-% Chrom enthalten, obwohl das Chrom bekanntermaßen die Karbidbildung unterstützt

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme nt iff j-lirt 7A!nLniinn wnl* »■· Λ—I Ä . « 4-Λ—4. !·. Ja— _n{_nn A ..^f." L.

uui vjiv. *_iviv-iMiuiig, iiaiiw ciiauiwii, im uvi v-iiiv nuotuir rungsform einer Drehanode mit einem Verbundsubstrat gemäß der Erfindung dargestellt ist.

Die Anode 10 weist eine Scheibe 12 auf, die auf geeignete Weise mit einem Fuß 14 verbunden ist, z. B. durch Schweißen, Löten oder auf ähnliche Weise. Die Scheibe 12 umfaßt ein Verbundsubstrat 16 aus einem Metallteller 18, der mit einem Graphitteil 20 verbunden ist.

Der Metallteller 18 weist eine schalenförmige Konfiguration mit zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen 22 und 24 auf, welche die äußere bzw. innere Oberfläche des Metallteilers 18 bilden. Der Metallteller 18 umfaßt einen zentralen Teil und einen einstückig damit verbundenen äußeren TeiL Eine Brennfleckbahn 26 ist mit einem ausgewählten Oberflächenbereich der äußeren Oberfläche 22 des äußeren Teiles des Metalltellers verbunden. Das Material des Metalltellers 18 ist entweder Wolfram, Molybdän oder eine geeignete Legierung eines dieser Metalle. Das Material der Brennfleckbahn kann Wolfram, eine Legierung aus Wolfram und Rhenium und ähnliche Materialien umfassen. Ist das Material der Brennfleckbahn 26 eine Legierung aus Wolfram und Rhenium, dann kann der Rheniumgehalt bis zu 25 Gew.-% betragen, liegt jedoch typischerweise zwischen 3 und 10 Gew.-%.

Das Teil 20 besteht aus Graphit, das eine wirtschaftliche Erscheinungsform des Kohlenstoffes ist, und das geeignet ist zur zuverlässigen Herstellung ds Teiles 20. Die Verwendung des Graphits verleiht der Scheibe 12 und der Anode 10 die gewünschten Merkmale einer hohen Wärmeaufnahme und einer stark ausgeprägten Wärmeabgabe. Das Teil 20 weist eine Oberfläche 30 auf, die so ausgebildet ist, daß sie der inneren Oberfläche 22 des Metalltellers angepaßt ist Eine Wandung 32 begrenzt eine öffnung, die sich vollkommen durch das Graphitteil 20 erstreckt

Der Metallteller 18 und die Brennfleckbahn 26 können separat hergestellt und dann mittels eines geeigneten Lötmaterials miteinander verbunden werden. Man kann aber auch eine pulvermetallurgische Technik dazu benutzen, von vornherein die Brennfleckbahn 26 und den Metallteller 18 als Einheit herzustellen. Dazu ordnet man eine vorbestimmte Menge des pulverförmiger! Metails für die Brennfleckbahn 26 in einem Werkzeug an. Dann gibt man das Molybdän- oder Wolframpulver zu dem Werkzeug hinzu. Die Metallpulver werden zur Bildung eines Preßlings, der aus der einstückig mit dem Metallteller 18 verbundenen Brennfleckbahn 16 besteht, zusammengepreßt. Dieser Preßling wird dann gesintert und zur Herstellung des Endproduktes heiß geschmiedet.

Danach verbindet man den Fuß 14 mit dem Metallteller 1 auf geeignete Weise, wie durch Trägheits- bzw. Schwerkraftschweißen, Löten oder auf ähnliche Weise. Ein geeignetes Material zum Herstellen des Fußes 14 kann Niob, eine Nioblegierung mit, in Gew.-%, 10 W, 10 Ta, Rest Nb; eine Nioblegierung mit, in Gew.%, 10 Hf, 0,7 Zr 1 Ti oder Nb mit 1 % Zirkonium sein. Vorzugsweise weist der Fuß 14 eine nicht dargestellte innere Wandoberfläche auf, welche eine Innenkammer begrenzt und die Übertragung thermischer Energie über den Fuß 14 zu anderen Bestandteilen gering hält

Das Graphitteil 20 ist an dem Metallteller 18 jo angeordnet, daß die Oberflächen 30 und 24 einander durch die verbindende Metallschicht 34 getrennt gegenüberliegen. Der Fuß 14 erstreckt sich vollkommen durch den Durchgang in dem Graphitteil 20, der durch die Wand 32 begrenzt ist. Diese Wand 32 befindet sich im Abstand vom Fuß 14, um die Bildung von Karbiden im Metall des Fußes 14 zu verhindern, die ein vorzeitiges Ende seiner Gebrauchsdauer verursachen könnte.

Das Material der Metallschicht 34 bildet keine Karbide. Dies ist von besonderem Interesse, wenn der Metallteller 18 Wolfram oder Molybdän umfaßt. Weiter soll in dem Material der Metallschicht 34 im Bereich der BetriebstemDeraturen. die bis zu 1300⁰C erreichen können, kein Kohlenstoff löslich sein. Eine partielle Löslichkeit von Kohlenstoff in dem Material der Metallschicht 34 bei sehr viel höheren Temperaturen ist zulässig; d. h. bei der Temperatur, die erforderlich ist, um die Teile 18 und 20 miteinander zu verbinden, ist eine Löslichkeit des Kohlenstoffes von 1 bis 4 Atom-% im Material der Metallschicht 34 tolerierbar. Das Material der Metallschicht 34 soll jedoch eine gewisse Löslichkeit in Wolfram und der Wolframlegierung des Metalltellers 18 haben.

Geeignete Materialien für die Metallschicht 34 sind Platin, Palladium, Rhodium, Osmium und Ruthenium. Alle diese Materialien bilden keine Karbide. Weiter ist jedes dieser Materialien in Wolfram und Molybdänlegierungen, die das Teil 18 bilden, löslich und hat überdies eine geringe Löslichkeit für Kohlenstoff. Im besonderen ist die Löslichkeit für Kohlenstoff bei der maximalen Betriebstemperatur einer Drehanode von etwa 1300⁰C praktisch null. Platin, Palladium, Rhodium, Osmium und Ruthenium bilden alle einfache eutektische Systeme mit Kohlenstoff. Für kommerzielle Anwendungen sind jedoch Platin und Palladium die allein für die Metallschicht 34 verwendbaren Materialien. Rhodium, Osmium und Ruthenium sind derzeit zur Verwendung als das Hauptmaterial für die Metallschicht 34 zu teuer, obwohl sie höhere Löttemperaturen als Platin und Palladium aufweisen.

Palladium ist als Material für die Metallschicht 34 geeignet da es eine Minimaltemperatur von 1504⁰C zum Verbinden mit dem Graphitteil bzw. die vorgenannte Temperatur als Kohlenstoff-Palladium-Eutektikum aufweist und außerdem bei weniger als 1300⁰C praktisch keine Löslichkeit für Kohlenstoff hat Zwischen den Teilen 18 und 20 werden ausgezeichnete Bindungen erzielt. Da jedoch die maximale Betriebstemperatur der Anode 10 bei etwa 1300⁰C liegt, ist nur eine Sicherheitsgrenze von 200⁰C vorhanden. Die Zuverlässigkeit der Anode mit einer Palladium-Metallschicht 34 ist daher geringer als wenn die Metallschicht 34 aus Platin besteht.

Das bevorzugte Material für die Metallschicht 34 ist daher derzeit Platin. Die Temperatur zum Verbinden des Metalltellers 18 aus Platin mit dem Graphitteil 20 beträgt etwa 1800° C. Die Minimaltemperatur bzw. die eutektische Temperatur für Kohlenstoff-Platin beträgt 1705⁰C. Dies ergibt eine größere Sicherheitsgrenze für den Betrieb der Anode, nämlich 400⁰C. Unterhalb von 1500⁰C hat die Platin-Metallschicht 34 keine Löslichkeit für Kohlenstoff. Die Metallschicht 34 aus Platin bildet daher selbst bei der oberen Grenze des Betriebstemperaturbereiches von etwa 1300⁰C eine ausgezeichnete Sperre gegen eine Diffusion von Kohlenstoff in den Metallteller 18.

Platinlegierungen können auch eingesetzt werden. Diese dürfen jedoch nicht in großer Konzentration Elemente enthalten, welche bei der Verbindungstemperatur eine Karbidbildung oder eine zu große Kohlenstoffdiffusion bei dem Betriebstemperaturbereich der Röntgenröhre verursachen können. Obwohl Chrom ein Karbidbilder ist, kann Platin mit bis zu 1 Gew.-% Chrom als Material für die Metallschicht 34 eingesetzt werden.

Es können verschiedene Verfahren zur Herstellung der Metallschicht 34 aus Platin oder Platinlegierung angewendet werden. Nach dem einen Verfahren kann man den Graphit plattieren. Hierzu wird vorzugsweise ein Elektroplattieren angewendet. Eine Dicke von 0,006 bis zu etwa 0,025 mm ist bevorzugt. Das Platin kann aber auch durch Zerstäuben auf den Graphit aufgebracht

werden. Nach dem Aufbringen des Platins wird der elektroplattierte Graphit für eine Dauer von etwa 3 Stunden im Vakuum auf eine Temperatur von etwa 1200 ±20°C erhitzt, um den plattierten Graphit zu entgasen.

Die Metallschicht 34 kann auch durch Verwenden von Platin oder einer Platinchromlegierung in Folienform aufgebracht werden. Die Dicke der Folie hängt einzig und allein von der Notwendigkeit ab, eine gute Verbindung sicherzustellen. Hierzu hat die Folie eine Dicke von mindestens etwa 0,012 mm. Bei einer Foliendicke von weniger als 0,012 mm kann mangels innigem Kontakt zwischen dem Metallteller 18 und dem Graphitteil 20 aufgrund der Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche dieser Teile eine unvollständige Bindung entstehen. Vorzugsweise hat die Folie eine Dicke von etwa 0,025 mm, um eine zuverlässige Verbindung durch die Metallschicht 34 sicherzustellen.

Die Anode 10 kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. So kann man den bearbeiteten Metallteller 18 einschließlich der Brennfleckbahn 26 auf dem plattierten Graphitteil 20 anordnen und mit diesem bei einer erhöhten Temperatur von etwa 1800° C verbinden. Man kann aber auch ein Sandwich aus dem Graphitteil 20, einer Folie aus Platin oder einer Platinchromlegierung und dem Metallteller 18 zusammensetzen und bei etwa 1800° C miteinander verbinden.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Verbinden des Metalltellers 18 mit dem Graphitteil 20 schließt das Verwenden einer Sandwichkonfiguration aus einem platinplattierten Graphitteil 20, einer Folie und dem Teil 18 ein. Die Folie ist auf der plattierten Oberfläche des Graphitteiles 20 angeordnet. Das Teil 18 befindet sich auf der Folie. Die Bestandteile dieser Sandwichanordnung sind in geeigneter Weise zusammengehalten, so daß sich die zu verbindenden UDerflächen inaneinanderstoßender Berührung miteinander befinden.

Die zusammengesetzten Bestandteile werden in einem Ofen mit einer kontrollierten Atmosphäre angeordnet. Diese Atmosphäre besteht aus Wasserstoff. Der Wasserstoff unterstützt das Benetzen der zu verbindenden Oberfläche durch Platin. Außerdem wirkt das Wasserstoff als Reduktionsmitte! für auf den zu verbindenden Oberflächen vorhandene Oxide.

Die zusammengelegten Bestandteile werden anfänglich im kältesten Teil eines Wasserstoffrohrofens angeordnet und für eine Dauer bis zu 30 Minuten vorerhitzt, um die Bestandteile zu akklimatisieren. Hierfür ist eine Minimalzeit von 10 Minuten erwünscht. Nach Abschluß des Vorerhitzen werden die Bestandteile in einen Teil des Ofens bewegt, in dem eine Temperatur von etwa 180O=C ±30= C herrscht. In diesem Teil des Ofens werden die zusammengelegten Bestandteile für eine ausreichende Zeit gehalten, um sie durch Verlöten mittels der Metallschicht 34 miteinander zu verbinden. Für dieses Verbinden hat sich eine Zeit von bis zu 10 Minuten und vorzugsweise etwa 3 Minuten als ausreichend erwiesen. Nach Abschluß des Verlötens wird die Anode 10 in die Abkühlzone des Rohrofens bewegt, wo sie für eine ausreichende Zeit verbleibt, um die Bestandteile abzukühlen und die Schmelze unter Bildung der Metallschicht 34 erstarren zu lassen. Hierfür hat sich eine Zeit von etwa einer Stunde als ausreichend erwiesen, um die Scheibe von einer Temperatur von etwa 1000° C soweit abkühlen zu lassen, daß sie aus dem Ofen herausgenommen werden kann.

Um die Güte der Verbindung zwischen Wolfram und Graphit zu veranschaulichen, wurde auf einer Oberfläche eines Graphitblockes mit einer Dicke von etwa 2,5 cm eine 0,025 mm dicke Platinschicht durch elektrochemische Abscheidung aufgebracht. Das plattierte Substrat wurde 3 Stunden lang bei 1200 ±20°C entgast. Es wurde weiter ein Wolframteil hergestellt und eine Oberfläche davon mit Schleifpapier mit Schleifteilchen von maximal 20 μΐη Größe metallographisch poliert. Von einer Platinfolie wurde ein etwa 0,025 mm dickes Stück hergestellt.

Aus den vorgenannten Teilchen setzte man eine Sandwichstruktur zusammen, bei der die Platinfolie auf der platinplattierten Oberfläche des Graphitblockes angeordnet wurde. Das Wolframteil legte man auf die Platinfolie, so daß die polierte Oberfläche in Berührung mit der Platinfolie stand. Die so erhaltene Sandwichstruktur wurde fest zusammengepreßt in einem Molybdäntiegel angeordnet und in das kälteste Ende eines Wasserstoffrohrofens eingeführt. Man ließ die zusammengesetzten Bestandteile sich für 10 Minuten akklimatisieren und schob sie dann in den heißesten Teil des Rohrofens. Die mit einem optischen Pyrometer gemessene Temperatur in diesem heißesten Teil betrug 1800 ±30°C. Man ließ die Bestandteile für 3 Minuten in diesem heißesten Teil bleiben, um die Bestandteile miteinander zu verlöten. Danach bewegte man sie in eine kühlere Zone des Ofens mit einer Temperatur von 1000 ±20°C und ließ sie dann 45 Minuten lang von dieser Temperatur sich abkühlen, bevor man sie aus dem Ofen herausnahm.

Nach dem Herausnehmen aus dem Ofen wurden die verlöteten Bestandteile visuell untersucht. Die Lötverbindung erschien in Ordnung. Dann zerschnitt man die verlötete Einheit aus den Bestandteilen und untersuchte die Wolfram/Platin/Kohlenstoff-Grenzfläche. Die Lötverbindung erwies sich als durch und durch in Ordnung. Verschiedene Abschnitte wurden Biegebelastungen ausgesetzt, bis ein Bruch auftrat. Alle Brüche traten entweder in der Brennfleckbahn aus Wolfram oder im Graphitsubstrat auf, nie jedoch inden Platin/Wolfram- oder Platin/Graphit-Grenzflächen.

Mit der neuen Drehanode kann man radiographische Techniken anwenden, die hohe Energieabgaben für kurze oder lange Dauer erfordern, ohne daß man ein vorzeitiges Versagen während der Benutzung befürchten muß, wie dies bei den bekannten Drehano Jen der Fall war. Dadurch, daß die neue Anode höhere Energieabgaben aushält, kann man Patienten kürzere Zeit bestrahlen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehanode für Röntgenröhren mit einem Graphit einschließenden Substrat (16), einer Brennfleckbahn (26) und einer verbindenden Metallschicht (34) aus einem Platinmetall, z. B. Osmium (Os) oder Ruthenium (Ru), gekennzeichnet durch
ein als Verbundsubstrat (16) ausgebildetes Substrat aus einem Metallteller (18) mit zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen (22, 24) und einem Graphitteil (20),

eine Wand (32), die eine zentral angeordnete öffnung für eine Drehwelle (14) begrenzt, wobei sie die öffnung vollkommen durch das Graphitteil (20) erstreckt,

die Brennfleckbahn (26) an einem ausgewählten Oberflächenbereich einer der beiden Hauptoberflächen (22,24) des Metalltellers (18) befestigt ist,
die Metallschicht (34) das Graphitteil (20) mit der zweiten Hauptoberfläche (24) des Metalltellers (18) verbindet,

wobei das Metall der Metallschicht (34) ein Material ist, in dem Kohlenstoff bis zu einer Temperatur von etwa 1300° C praktisch unlöslich ist, in dem sich jedoch 1 bis 4 Atom-% Kohlenstoff bei der Temperatur lösen, die zum Verbinden des Metalltellers (18) mit dem Graphitteil (20) benutzt wird, und wobei das Metall der Metallschicht (34) in dem Material des Metalltellers (18) löslich ist.

2. Drehanode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Befestigung der Drehwelle (14) an einem zentral angeordneten Oberflächenbereich der zweiten Hauptoberfläche (24) des Metalltellers (18), wobei sich die Drehwelle im Abstand von der die Öffnung begrenzenden Wand (32) befindet

3. Drehanode nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Platin (Pt), Palladium (Rd), Osmium (Os), Ruthenium (Ru) oder Rhodium (Rh) als Material für die Metallschicht (34).

4. Drehanode nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Platin, dem bis zu I Gew.-°/o Chrom (Cr) zugegeben worden ist, als Material für die Metallschicht (34).