DE3013441C2

DE3013441C2 - Anodenteller für eine Drehanoden-Röntgenröhre und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE3013441C2
Application number: DE19803013441
Authority: DE
Inventors: Klaus Ing.(grad.) 2000 Hamburg Huth
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1980-04-05
Filing date: 1980-04-05
Publication date: 1984-12-13
Also published as: GB2073945A; FR2480033B1; FR2480033A1; GB2073945B; DE3013441A1; JPS56146358U

Description

— daß der Schwermetallkörper (13) Molybdän enthält,

— und auf seiner von der Lotschicht (26) abgewandten Seite mit einer Schicht aus Wolfram oder einer Wolframlegierung versehen ist.

3. Verfahren zum Herstellen eines Anodentellers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß der Graphitkörper (10) unter Zwischenfügung einer Lotscheibe auf den Schwermetallkörper (13) gelegt wird und daß danach ein Lötvorgang erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3 zum Herstellen eines Anodentellers nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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— daß als Schwermetallkörper (13) ein wannenförmiger Körper ohne zentrale Bohrung verwendet wird,

— daß der Schwermetallkörper an den Graphitkörper angelötet wird,

— und daß nach dem Lötvorgang der Schwermetallkörper und gegebenenfalls der Graphitkörper mit einer zentralen Bohrung versehen werden (F ig. 4).

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Die Erfindung betrifft einen Anodenteller nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Mit »axial verbunden« wird dabei eine Verbindung bezeichnet, bei der in Richtung der Rotationsachse der Schwermetallkörper bzw. seine dem Graphitkörper zugewandte Fläche, die Lotschicht und der Graphitkörper bzw. seine dem Schwermetallkörper zugewandte Fläche unmittelbar aufeinander folgen, bei der sich der Schwermetallkörper

— bei vertikaler Rotationsachse — also oberhalb (oder unterhalb) des Graphitkörpers befindet

Ein solcher Anodenteller ist aus der DE-AS 21 17 956, Fig. 5 bekannt Der Graphitkörper dient dabei der Erhöhung der Wärmekapazität des Anodentellers und der Vergrößerung des thermischen Emissionsvermögens. Da die Antriebswelle mit dem Schwermetallkörper verbunden ist, hat der Graphitkörper keine tragende Funktion. Gleichwohl ist in der Praxis zu beobachten, daß im Betrieb einer mit einem solchen Anodenteller versehenen Röntgenröhre Teile des Graphitkörpers sich durch Abscheren von dem so gebildeten Anodenteller lösen, der damit unbrauchbar wird.

Aus der DE-AS 21 Ξ7 956 - Fig. 1 — ist darüber hinaus auch ein Anodenteller bekannt, bei dem ein Schwermetallring eine Graphitscheibe umschließt, wobei sich zwischen dem Außenrand der Graphitscheibe und der Innenseite des Schwermetallringes eine Lotschicht befindet. Nachteilig ist, daß der Graphitkörper hierbei eine tragende Funktion hat, was zu Sprüngen in dem relativ spröden Material führen kann. Außerdem ist das Löten der beiden Teile verhältnismäßig schwierig, weil sich die Lotschicht dabei auf dem Umfang eines Zylindermantels befinden muß.

Weiterhin ist aus der DE-OS 19 07 672 ein Anodentellcr bekannt, dessen Grundkörper im wesentlichen aus Graphit besteht, der mit einer dünnen Schicht aus Wolfram bzw. einer Wolframlegierung bedeckt ist, die durch Abscheidung aus der Gasphase bzw. durch elektrolytische Abscheidung aufgebracht wird. An sich sind derartige Anodenteller den zuvor beschriebenen Anodentellern im Hinblick auf geringes Gewicht, hohes thermisches Emissionsvermögen und hohe Wärmekapazität überlegen. In der Praxis hat sich aber gezeigt, daß der Wolframüberzug bei thermischer Belastung sehr leicht abblättert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Anodenteller der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Gefahr, daß sich der Graphitkörper bei thermischer Beanspruchung ganz oder teilweise vom Schwermetallkörper löst, verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst.

Untersuchungen haben gezeigt, daß ein solcher Anodenteller gegenüber thermischen Beanspruchungen widerstandsfähiger ist als der bekannte Anodenteller der eingangs genannten Art. Dies läßt sich folgendermaßen erklären: Bei dem bekannten Anodenteller sind die durch Lötung miteinander verbundenen Oberflächen des Schwermetallkörpers und des Graphitkörpers eben. Während des Lötens haben beide Körper ungefähr die gleiche Temperatur. Nach dem Lötenvorgang kühlen beide Körper ab, wobei der Schwermetallkörper — jedenfalls dann, wenn er aus einem Molybdän-Grundkörper besteht, der mit einer Wolframschicht versehen ist

— wegen seines größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten stärker schrumpft als der Graphitkörper. In den der Lotschicht benachbarten Schichten beider Körper treten daher Spannungen auf, die dazu führen können, daß der Graphitkörper oder Teile davon sich durch Abscheren lösen.

Bei der beanspruchten Ausbildung des Anodentellers wird nach dem Löten mit fortschreitender Abkühlung von dem ringförmigen Rand über die Lotschicht eine

zunehmende Druckspannung auf den äußeren Rand des Graphitkörpers ausgeübt Druckspannungen kann ein oraphitkörper aber in erheblichem Ausmaß aufnehmen, ohne zu zerbrechen — im Gegensatz zu Zugspannungen. Durch diese Druckspannungen, die sich im Betrieb der Röntgenröhre durch Erwärmung des Anodentellers verringern, wird das Abscheren des Anodentellers verhindert

Der Schwermetallkörper, an dem die Antriebswelle befestigt ist nimmt im Betrieb die von der Antriebswei-Ie übertragenen Kräfte auf, so daß der Graphitkörper hierdurch mechanisch nicht beansprucht wird.

Der Rand des Schwermetallkörpers muß nicht so hoch sein wie der Graphitkörper dick ist Da die Schwerspannungen beim Abkühlen vor allen Dingen in dem der Lotschicht benachbarten Bereich des Graphitkörpers auftreten, genügt es, wenn nur dieser Bereich von dem Rand umschlossen wird, dessen Höhe also nur einen Bruchteil der Dicke des Graphitkörpers betragen muß.

Der Innendurchmesser des ringförmigen Randes kann einige zehntel Millimeter größer sein als der Außendurchmesser des von ihm umschlossenen Außenrandes des Graphitkörpers. Die mechanischen Druckspannungen werden dann über die Lotschicht auf den Graphitkörper übertragen.

Es ist auch nicht erforderlich, daß die Innenwand des ringförmigen Randes parallel zur Rotationsachse des Anodentellers verläuft. Es kann zweckmäßig sein, daß der Innenrand unter einem Winkel von 30° zur Achse verläuft, weil dann die Kerbspannungen geringer sind.

Ein besonderer Vorteil des beanspruchten Anodentellers besteht darin, daß sich der Lötvorgang besonders einfach gestalten läßt. Bei den bisher bekannten Lötverfahren (vgl. z.B. DE-AS 21 15 896) befindet sich der Schwermetallkörper beim Lötvorgang oberhalb des Graphitkörpers. Wenn die Lotschicht dabei zu heiß wird, quillt das Lot an einzelnen Stellen aus dem Spalt zwischen den beiden Körpern heraus und benetzt stellenweise nicht nur den Graphitkörper, sondern — aufgrund der Molekularkräfte — auch die Oberseite des Schwermetallkörpers. Diese Lotreste erniedrigen nicht nur die Schmelztemperatur im Brennfleckbahnbereich, sondern setzen wegen der im allgemeinen niedrigeren Ordnungszahl des Lotmaterials auch die Röntgenstrahllenausbeute herab.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt der Lötvorgang dadurch, daß der Graphitkörper unter Zwischenfügung einer Lotscheibe auf den Schwermetallkörper gelegt wird und daß danach ein Lötvorgang erfolgt Beim Lötvorgang befindet sich also der Graphitkörper oberhalb der Schwermetallscheibe.

Der ringförmige Rand der Schwermetallscheibe, die beim Löten unten liegt, verhindert ein Herauslaufen des Lotes. Das Lot steigt lediglich in dem zwischen der 'nnenseite des ringförmigen und dem Außenrand gebildeten Spalt aufgrund der Molekularkräfte hoch und füllt diesen Spalt aus.

Dieser Vorteil ergibt sich allerdings nur, wenn das Lot nicht auf andere Weisft, z. B. durch das Zentrum der Schwermetallscheibe, herablaufen kann. Eine Weiterbildung dieses Verfahrens sieht vor, daß als Schwermetallkörper ein wannenförmiger Körper ohne zentrale Bohrung verwendet und an den Graphitkörper angelötet wird, und daß nach dem Lötvorgang der Schwermetall- b5 körper und gegebenenfalls der Graphitkörper mit einer zentralen Bohrung versehen wird. Da der Schwermetallkörner somit beim Löten eine Wanne bildet, kann die Lotschicht nicht herablaufen. Erst anschließend wird der Schwermetallkörper mit der zur Aufnahme der Antriebswelle erforderlichen zentralen Bohrung versehen. Der Graphitkörpe.r kann von vornherein mit einer Bohrung versehen sein, durch die die Antriebswelle beim Zusammenbau der Drehanoden-Röntgenröhre hindurchgeführt wird. Sie kann aber auch gleichzeitig mit der Bohrung im Schwermetallkörper hergestellt werden.

Der Schwermetallkörper weist einen zen.trisch angeordneten Zapfen auf, der in den ringförmigen Graphitkörper hineinragt und dessen Außendurchmesser nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des ringförmigen Graphitkörpers. Der zentrisch angeordnete Zapfen im Schwermetallkörper einerseits und sein äußerer Rand andererseits bilden hierbei eine ringförmige Wanne, die ebenfalls das Auslaufen der Lotschicht verhindert Zugleich dient der Zapfen der Zentrierung des Graphitkörpers.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Drehanoden-Röntgenröhre,

F i g. 2, 3 und 4 verschiedene Ausführungsformen eines Anodentellers im Querschnitt.

In F i g. 1 ist mit 1 der Glaskolben einer Drehanoden-Röntgenröhre bezeichnet, der an seinem einen Ende eine Kathodenanordnung 3 und an seinem anderen Ende eine Anodenanordnung 4 trägt Die Kathodenanordnung umfaßt eine Abschirmeinheit 5, an der der Kathodenkopf 6 befestigt ist, in dem der Heizfaden bzw. die Heizfäden — nicht näher dargestellt — angeordnet sind. Die Heizspannungen werden über die Leitungen 15,16 und 17 zugeführt, die das kathodenseitige Hochspannungspotential führen.

Die Anodenanordnung 7 enthält einen Rotor, auf dessen Antriebswelle 8 ein Anodenteller 9 befestigt ist. Der Anodenteller 9 umfaßt einen Schwermetallkörper 13, der mit der Antriebswelle 8 verbunden ist. Zu diesem Zweck ist die Antriebswelle an ihrem oberen Ende mit einem Gewinde versehen, in das die Mutter 11 eingreift, die nach dem Festziehen den Schwermetallkörper 13 gegen das untere, an der Antriebswelle 8 befestigte Widerlager 12 preßt. Der Anodenteller, der in der Zeichnung im Schnitt dargestellt ist, umfaßt außerdem einen Graphitkörper 10, der an die Unterseite des Schwermetallkörpers 13 angelötet ist Der Graphitkörper 10 hat mit der Antriebsweile 8 oder dem Widerlager 12 keinen unmittelbaren Kontakt. Die anodenseitige Hochspannung wird über den Anschlußstutzen 18 zugeführt.

Fig.2 zeigt eine geeignete Ausführungsform des Anodentellers in nicht maßstäblicher Darstellung. Der Schwermetallkörper 13 besteht aus einem Molybdän-Grundkörper, der zumindest im Bereich der Brennfleckbahn 19 mit einer Schicht aus Wolfram oder einer Wolframlegierung versehen ist. Er kann einen Außendurchmesser von z. B. 120 mm und eine Dicke von 9 mm aufweisen. Der Schwermetallkörper weist an seiner Unterseite eine ebene senkrecht zur Rotations- bzw. Symmetrieachse verlaufende Fläche auf, die außen von einem ringförmigen Rand 22 und innen von einem Zapfen 23 des Schwermetallkörpers 13 begrenzt wird. Wird der Schwermetallkörper um 180° um eine horizontale Achse gedreht, dann ergibt sich somit auf der dann oben liegenden Seite eine ringförmige Wanne, deren Unterseite durch die Fläche 20 gebildet wird und deren Seitenwände außen durch den Rand 22 und innen durch den Zapfen 23 gebildet werden.

Bereits bei einer Höhe von nur 1,5 mm hai sich der

äußere Rand als im Sinne der Erfindung wirksam erwiesen. Der ringförmige Rand kann aber auch höher sein als 1,5 mm. Der Mittelzapfen 23, der zentrisch zur Rotationsachse 21 angeordnet ist und in dem eine Bohrung 24 zur Aufnahme der Antriebswelle 8 (F i g. I) vorgese- Ί hen ist, sollte die gleiche Höhe haben wie der ringförmige Rand 22.

Ein rotationssymmetrischer Graphitkörper 10 ist mit seiner ebenen Stirnfläche 25 mit der Fläche 20 des Schwermetallkörpers und mit seinen zur Romtionsachse 21 parallelen inneren und äußeren Mantelflächen mit dem Zapfen 23 bzw. dem ringförmigen Rand 22 durch eine Lotschicht 26 verbunden. Der Graphitkörper kann dabei aus einem durch Druckpressen und Glühen hergestellten sehr feinkörnigen Graphit bestehen, z. B. der ir> Qualität 5890 der Firma Deutsche Carbonc AG. der eine Dichte von 1,85 g/cm-⁷, eine Biegebruchfestigkeit von 65 N/mm- und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (bei 100⁰C) von 4,2 χ 10^h/k aufweist. Der Außendurchmesser des Graphitkörpers 10 ist kleiner als der Innendurchmesser des ringförmigen Randes 22. z. B. um 1,2 mm, so daß zwischen dem ringförmigen Rand 22 und dem Graphitkörper 10 eine 0,6 mm dicke Lotschicht verbleibt. Der Innendurchmesser des Graphitkörpers 10 ist größer als der Außendurchmesser des Zapfens 23 aber nur wenig, z. B. maximal 0,2 mm, daß der Graphitkörper im noch nicht gelöteten Zustand mit nur geringem seitlichen Spiel auf dem Zapfen 23 sitzt und durch diesen zentriert wird.

Zum Verbinden des Schwermetallkörpers mit dem jo Graphitkörper 10 wird zunächst der Schwermetallkörper nach unten gebracht (gegenüber der in F i g. 2 dargestellten Lage also um 180° um eine horizontale Achse gedreht), so daß die ringförmige Wanne, die durch die Fläche 20 und den ringförmigen Rand 22 sowie den J5 Zapfen 23 gebildet wird, sich auf seiner Oberseite befindet. In diese ringförmige Wanne wird eine Lotscheibc aus Zirkon mit einer Dicke von 0,3 mm eingelegt, deren Innendurchmesser des Graphitkörpers, z. B. um jeweils 4 mm. Darauf wird der Graphitkörper 10 gelegt. Diese Anordnung wird anschließend in einem evakuierten Raum erwärmt, z. B. durch Hochfrequenzheizung. Bei einer Temperatur von ungefähr 1500°C bildet sich, wie aus der DE-AS 21 15 896 bekannt, eine eutektische Schmelze, die zur Verbindung des Schwermetallkörpers mit dem Graphitkörper führt. Bei Hochfrequenzerhitzung (mit 550 kHz) steigt das Lot zunächst in der Fuge zwischen dem äußeren Umfang des Graphitkörpers 10 und dem ringförmigen Rand 22 empor, weil der äußere Bereich, insbesondere der ringförmige Rand, bei der Hochfrequenzerhitzung stärker wird als die weiter innen Hegenden Bereiche. Nach einiger Zeit steigt das Lot aber auch in der Fuge zwischen dem Zapfen 23 und dem Graphitkörper 10 empor, wonach die Energiezufuhr beendet wird und die Lotschmelze erstarrt, wobei ihre Oberfläche in der Fuge zwischen dem Graphitkörper 10 und dem ringförmigen Rand 22 einen Meniskus 27 bildet

Bei diesem Lötvorgang ist ein Herauslaufen des Lotes kaum noch möglich, so daß die damit verbundenen Unwuchten und Verunreinigungen des Schwermetallkörpers weitgehend entfallen. Wird die Erhitzung hierbei etwas zu spät unterbrochen, so ist dies nicht so schädlich wie bei den bekannten Lötverfahren; allerdings kann sich eine zu lange andauernde Energiezufuhr schädlich auf die Haltbarkeit der Verbindung auswirken, weil dann Carbide entstehen können.

Der Anodenteller nach F i g. 3, bei dem entsprechen

de Teile mit denselben Bc/.ugszeichen versehen sind wie in F i g. 2, unterscheidet sich von dem in F i g. 2 dargestellten Anodenteller dadurch, daß der Schwermelallkörper, der auf seiner Oberseite in bekannter Weise abgewinkelt ist (Neigungswinkel mit der Horizontalen etwa 5 bis 20"). überall, außer im Bereich des ringförmigen Randes 22 und des Zapfens 23, gleichmäßig dick ist. so daß die dem Graphitkörper 10 zugewandte Seite 20' nicht mehr eben ist wie bei dem Anodenteller nach Fig. 2. sondern ebenfalls nach außen abgewinkelt ist. Die in der Zeichnung obere Begrenzungsfläche des Graphitkörpers 10 muß dann entsprechend geformt sein. Der Zapfen 23 muß dabei höher sein als der ringförmige Rand, jedoch liegt auch hierbei seine Stirnfläche ungefähr in einer zur Rotationsachse 21 senkrechten Ebene mit der unteren Stirnfläche des ringförmigen. Randes 22. Die Lötung erfolgt ähnlich wie in Verbindung mit F i g. 2 beschrieben.

In F i g. 4 ist ein Anodenteller in einem Zwischenstadium des Herstellungsvorganges dargestellt. Der Schwermetallkörper besitzt dabei eine von dem ringförmigen Rand 22 begrenzte, durchgehende ebene Unterseite 20", weist also weder eine Bohrung noch einen Zapfen in seiner Mitte auf. In die durch den ringförmigen Rand 22 und die Fläche 20" gebildete ringförmige Wanne, die beim Lötvorgang nach oben geöffnet ist. wird eine Lotscheibe, vorzugsweise aus Zirkon, eingelegt sowie der zylinderförmige Graphitkörper 10, der gegebenenfalls mit einer zentralen Bohrung versehen sein kann. Nach dem Löten wird in den Schwermetallkörper 13, wie durch gestrichelte Linien angedeutet, eine Bohrung 24' angebracht, die der Verbindung des Anodentellers mit der Antriebswelle 8 dient. Wenn der Graphitkörper 10 nicht bereits eine solche zentrale Bohrung besitzt, geht diese Bohrung auch durch ihn hindurch. Falls die Bohrung durch den Graphitkörper 10 keinen größeren Durchmesser hat als die durch den Schwermetallkörper 13, greift die Antriebswelle im zusammengebauten Zustand zwar auch am Graphitkörper 10 an, jedoch wird dieser dann nur durch Druckkräfte beansprucht, die er ohne weiteres aufnehmen kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anodenteller für eine Drehanoden-Röntgenröhre mit einem ringförmigen Graphitkörper (10), der über eine Lotschicht (26) mit einem Schwermetallkörper (13) axial verbunden ist und der im zusammengebauten Zustand über den Schwermetallkörper (13) mit der Antriebswelle (8) verbunden ist, g e kennzeichnet durch folgende Merkmale

— der Schwermetallkörper (13) weist einen dem Graphitkörper (10) zugewandten ringförmigen Rand auf,

— der Innendurchmesser des ringförmigen Randes (22) ist größer als der Außendurchmesser des Graphitkörpers (10),

— der ringförmige Rand urr.schließt den Außenrand des Graphitkörpers,

— die Lotschicht (26) befindet sich auch zwischen dem ringförmigen Rand (22) und dem Außenrand des Graphitkörpers (10),

— der Schwermetallkörper weist einen zentrisch angeordneten Zapfen (23) auf,

— der Zapfen ragt in den ringförmigen Graphitkörper hinein und besitzt einen Außendurchrnesser, der geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Graphitkörpers.

2. Anodenteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,