DE3143141A1

DE3143141A1 - Auffangelement (antikathode), insbesondere fuer eine roentgenroehre, und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3143141A1
Application number: DE19813143141
Authority: DE
Inventors: Paul Lancaster Pa. Greninger; Thomas J. Shelton Conn. Koller; Jay W. Yonkers N.Y. Shepherd
Original assignee: Machlett Laboratories Inc
Current assignee: Machlett Laboratories Inc
Priority date: 1980-12-03
Filing date: 1981-10-30
Publication date: 1982-06-09
Also published as: ES8304361A1; JPS57121139A; GB2089109B; IT8149688A0; ES507634A0; GB2089109A; FR2495375A1; IT1172063B

Description

The Machlett Laboratories, Incorporated, Stamford, Connecticut, Vereinigte Staaten von Amerika

Auffangelement (Antikathode), insbesondere für eine Rants'?_ⁿ C.öhX?_>

Die Erfindung betrifft ein Auffangelement (Antikathode), insbesondere für eine Röntgenröhre mit einer Bimetall-Anodenstruktur, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Bei Röntgenröhren, z.B. solchen mit Stehanoden, ist eine Kathode so angeordnet, daß sie den von ihr erzeugten Elektronenstrahl auf einer exponierten Oberfläche eines Anodenauffangelementes fokussiert, welches aus.einem zur Emission von Röntgenstrahlung geeigneten Material besteht. Der größte Teil der Energie des Elektronenstrahles wird in Wärme umgewandelt. Deshalb ist das Auffangelement an einem elektrisch leitenden Trägerelement befestigt, dessen Material im Vergleich zu dem des Auffangelementes eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt und somit eine Wärmesenke für das Auffangelement bildet. Infolgedessen überträgt sich die in dem Auffangelement erzeugte Wärme auf das Trägerelement, das seinerseits in thermischem Kontakt mit einem Kühlmittel, z.B. einer Kühlflüssigkeit oder Luft, steht, mittels dessen die Wärme aus der Röhre abgeführt wird.

Es stellt sich heraus, daß das Auffangelement sich im Laufe der Betriebszeit von dem Trägerelement ablöst. Um dies zu verhindern, wurde beispielsweise versucht, das Auffangelement mit dem Trägerelement unter Zwischenlage einer Schicht aus beiderseits verträglichem Material zu verkitten. Es . wurde ferner versucht, die Ablösung des Auffangelementes

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von dem Trägerelement dadurch zu verhindern, daß die Grenzfläche zwischen den beiden Materialien vergrößert wurde um eine bessere Haftung zu erzielen. Der Erfolg dieser bekannten Lösungen ist jedoch unbefriedigend, da, insbesondere bei Hochleistungs-Röntgenröhren, nach wie vor eine Ablösung des Auffangelementes von dem Trägerelement möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Auffangelement unter Vermeidung der vorangehend beschriebenen Nachteile so zu gestalten, daß seine Ablösung von dem genannten Trägerelement durch thermomechanische Beanspruchung verhindert ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Auffangelement mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren 7ur Herstellung eines derartigen Auffangelementes. Zur Verkürzung der Beschreibung wird hiermit auf die Unteransprüche ausdrücklich verwiesen.

Das Auffangelement gemäß der Erfindung besitzt eine solche Formgebung, daß die Begrenzungsfläche, mit welcher es an einer entsprechend komplementär geformten Fläche des Anodenträgerelementes befestigt ist, eine solche Kontur hat, daß die in ihrem Bereich auftretenden Scherkräfte aufgrund der Verteilung der in dem Auffangelement entstehenden Wärme minimal sind. Im Betrieb entwickeln sich in dem Auffangelement und in dem benachbarten Material des Trägerelementes Flächen gleicher Temperatur (Isothermenflächen), deren Gestalt zu dem Brennfleck auf der Fokussierungsfläche des Auffangelementes symmetrisch ist. Diese Isothermenflächen repräsentieren Temperaturwerte, die mit zunehmender Entfernung von dem Brennfleck abnehmen.

Die Isothermenflächen haben bei einem langgestreckten Brennfleck z.B. die Gestalt von Halbellipsen. Die erwähnte Grenz-

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fläche zwischen Auffangelement und Trägerelement ist so gewählt, daß diejenige Isothermenfläche im wesentlichen mit ihr übereinstimmt, die in dem Auffangelement eine thermische Beanspruchung hervorruft, welche innerhalb der Grenzen liegt, denen das Material des Auffangelementes gewachsen ist. Das Auffangelement ist mit der in dieser Weise geformten Begrenzungsfläche an einer komplementären Fläche des Anodenträgerelementes befestigt, so daß die thermischen Beanspruchungen, die senkrecht zur gemeinsamen Grenzfläche verlaufen und Druckoder Zugspannungen entsprechen, maximiert werden, während thermische Beanspruchung, die unter einem kleineren Winkel auf die erwähnte Grenzfläche einwirken und einer Scherung entsprechen, die hauptsächlich zur Materialermüdung beiträgt, minimiertwerdon. Daraus ergibt sich, daß das Auffangolcment dein Rt¹IrIPh mit relativ hoher Temperatur gewachsen ist, ohne daß Verbiegungen , Ri sse oder andere Ablösungen von dem Trägereiement auftreten.

Das Anodenträgerelement ist vorzugsweise mit einer Kühleinrichtung versehen, die gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in der Weise angeordnet ist, daß sie die Ausformung und Lokalisierung der Isothermenflächen in dem Auffangelement und dem Trägerelement in der gewünschten Weise unterstützt.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine teilweise geschnittene axiale Darstellung einer Röntgenröhre gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt eine fragmentarische vergrößerte und teilweise geschnittene Axialansicht der flüssigkeitsgekuhlten Anode der Röhre gemäß Fig. 1,

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt entsprechend der Linie 3-3 von Fig. 2 mit Blick in Richtung der dort eingetragenen Pfeile,

Fig. 4 zeigt eine Aufsicht entsprechend der Linie 4-4 von Fig. 2 mit Blick in Richtung der dort gezeigten Pfeile,

Fig. 5A und 5B zeigen schematische Längs- bzw. Queransichten längs der Linien 5A-5A bzw. 5B-5B von Fig. 4 in Richtung der Pfeile,

Fig. 6 zeigt einen fragmentarischen Längsschnitt einer typischen Stehanode gemäß dem bekannten Stand der Technik,

Fig. 7 zeigt eine schematische fragmentarische Ansicht einer repräsentativen Schar von Isothermen, die für die Temperaturverteilung in einer Stehanode der in Fig.6 •dargestellten dem Stand der Technik angehörenden Art kennzeichnend,

Fig. 8 zeigt eine schematische fragmentarische Ansicht einer repräsentativen Schar von Linien gleicher Beanspruchung infolge der in Fig; 7 dargestellten Temperaturverteilung für die bekannte Stehanode gemäß Fig. 6,

Fig. 9 zeigt eine schematische fragmentarische Längsansicht der Anode gemäß der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Röntgenröhre mit Stehanode ist in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnet. Sie besitzt einen röhrenförmigen Kolben 12 aus einem geeigneten dielektrischen Material, beispielsweise aus nichtleitendem Glas. Ihre voneinander abgewandten Endbereiche 14 und 16 haben einen gegenüber dem mittleren Bereich verringerten Durchmesser. Der Endbereich 14 ist am Ende eines nach innen gestülpten Teiles 18, der sich axial in den Endbereich 14 erstreckt, hermetisch verschlossen. An diesem Ende befindet sich ein vakuumdichter Preßteller 19. Der Preßteller 19 trägt eine Kathodenstruktur 20, die sich in axialer Richtung in den Kolben 12 erstreckt und eine Heizdrahtwendel 22 aus einem geeigneten elektronenemittierenden Material, beispielsweise aus Wolfram, aufweist. Die Heizdrahtwendel befindet sich in einem Fokussierbecher 24 aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise aus Nickel, der die Elektronen durch eine in dem geschlossenen Ende des Bechers 24 angebrachte fluchtende Öffnung 26 bündelt und auf eine Anodenstruktur 30 richtet, die in axialem Abstand von der Kathodenstruktur 20 angeordnet ist.

Der Endbereich 16 des Kolbens 12 ist am Ende eines nach innen gestülpten Teiles 32_S der sich axial in den Endbereich 16 erstreckt, hermetisch abgeschlossen. In das Ende des nach innen gestülpten Teiles 32 ist der Endbereich eines röhrenförmigen Gliedes 34 eingeschmolzen, das sich in axialer Richtung erstreckt und aus einem geeigneten Metall, beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht. Innerhalb des eingestülpten Teiles 32 und des röhrenförmigen Gliedes 34 befinden sich zwei koaxial angeordnete Rohrleitungen 36 bzw. 38, Die innere Rohrleitung 36 und die äußere Rohrleitung 38 bestehen aus einer Metallegierung,, beispielsweise aus Stahl, und bilden die Flüssigkeitszuleitung bzw. -ableitung für eine Kühleinrichtung zur Abführung von Wärme von der Anodenstruktur 30. Die Kühleinrichtung 40 ist dementsprechend mit Anschlußmitteln 42 zur Verbindung der Flüssigkeitszuleitung und -ableitung 36 bzw. 38 mit einer (nicht dargestellten) KUhIflüssigkeitsqueiIe versehen. Die Anschlußmittel 42 beinhalten beispielsweise einen mit einem Außengewinde versehenen Flüssigkeitsanschluß, dessen Anschlußfläche eine trichterförmige Einlaßöffnung 37 aufweist, die über eine axial fluchtende Bohrung mit dem benachbarten Ende der Zuleitung 36 flüssigkeitsdicht verbunden ist. Der Flüssigkeitsanschluß besitzt in seinem der Anschlußfläche gegenüberliegenden ringförmig ausgebildeten Endbereich eine radiale Auslaßöffnung, die flüssigkeitsdicht mit dem benachbarten Ende der als Flüssigkeitsableitung dienenden äußeren Rohrleitung 38 verbunden ist.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, erstreckt sich der andere Endbereich der als Flüssigkeitszuleitung dienenden inneren Rohrleitung 36 axial durch eine ringförmig im Abstand angeordnete Buchse 44 aus wärmeleitendem Material, beispielsweise aus Kupfer. Die Buchse 44 besitzt eine innere Schulter,die längs ihres Umfanges an dem benachbarten Ende der als FJüssigkeitsableitung dienenden äußeren Rohrleitung 38 befestigt ist. Der dieser Schulter abgewandte Endbereich der Buchse 44 trägt ein Außengewinde und ist mit einer Flüssigkcitsdicn-

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tung, beispielsweise einem O-Ring 45 versehen, so daß er sich mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden Tragmuffe 46 aus wärmeleitendem Material, z.B. aus Kupfer, die ein entsprechendes Innengewinde besitzt, flüssigkeitsdicht verschrauben läßt. Der mit dem Innengewinde versehene Endbereich der Tragmuffe 46 ist mit seiner Außenfläche an der Innenfläche eines Montageringes 48 befestigt, der ebenfalls aus wärmeleitendem Material, z.B. aus Kupfer, besteht. Der Montagering 48 ist mit einem mit einer Schulter versehenen Endbereich an dem anderen Endbereich des röhrenförmigen Gliedes 34 befestigt. Seine Außenfläche ist dicht mit einem ihn umgebenden Endbereich einer hohlzylindrischen Hülse 50 aus wärmeleitendem Material, z.B. aus Kupfer, verbunden. Die Hülse 50 erstreckt sich axial in den mittleren Bereich des Röhrenkolbens 12 (Fig. 1), in welchem dieser seinen größten •Durchmesser besitzt. Der größte Teil der inneren Umfangsflache der Hülse 50 ist mit der zylindrischen Außenfläche eines Anodenblockes vakuumdicht verbunden, der· aus wärmeleitendem Material, z.B. aus Kupfer, besteht.

Eine Stirnfläche des Anodenblockes 52 ist im Abstand von der gegenüberliegenden Stirnfläche des Montageringes 48 angeordnet, so daß zwischen diesen Stirnflächen ein ringförmiger Kanal 54 gebildet ist, dessen äußerer Umfang von dem die Montagehülse 48 und den Anodenblock 52 umspannenden Teil der Hülse 50 und dessen innerer Umfang von einem Mittelteil der Tragmuffe 46 begrenzt ist. Dieser Mittelteil der Tragmuffe 46 besitzt eine Mehrzahl radialer Durchlaßöffnungen 56, so daß der ringförmige Kanal 54 mit dem benachbarten Endbereich der die Flüssigkeitsableitung bildenden äußeren Rohrleitung 38 in Verbindung steht. Der benachbarte Endbereich der Einlaßrohrleitung 36 erstreckt sich radial durch den Mittelteil der Tragmuffe 46 und ist dicht in einem Endbereich eines zylindrischen Pfropfens 60 eingesetzt. Die Außenfläche des Pfropfens 60 ist mit einer Flüssigkeitsdichtung, ζ.Β.einem O-Ring 59, versehen, so daß er sich flüssigkeitsdicht in dem unteren Endbereich der Tragmuffe 46 montieren läßt.Der

Pfropfen 60 erstreckt sich über das untere Ende der Tragmuffe 46 und ragt in eine mit Übermaß in dem benachbarten Endbereich des Anodenblockes 52 angebrachte Öffnung. Infolgedessen begrenzen diese Öffnung und der in sie hineinragende Endbereich des Pfropfens 60 einen becherförmigen Kanal 63 (Fig. 1), dessen oberer Abschluß durch den benachbarten Endbereich der Tragmuffe 46 gebildet ist, mit welchem diese dicht mit einer im oberen Endbereich des Anodenblockes 52 gebildeten Innenschulter verbunden ist.

Im Innern des Pfropfens 60 befindet sich eine kegelstumpf-förmige Kammer 64. Ihr Endbereich mit dem kleineren Durchmesser steht mit dem benachbarten Endbereich der die Flüssigkeitszuführung bildenden inneren Rohrleitung 36 in.Verbindung. Der entgegengesetzte Eridbereich der Kammer 64,der den größeren Durchmesser besitzt, endet in einer Stirnwand des Pfropfens 60, in welchen eine Mehrzahl fingerartiger Vorsprünge 66 eingesetzt ist, die sich in axialer Richtung erstrecken. Jeder dieser Vorsprünge besitzt in seinem der Kammer 64 zugewandten Endbereich eine mit dieser Kammer 64 in Verbindung stehende axiale Bohrung 68. Die entgegengesetzten Enden der axialen Bohrungen 68 stehen mit axialen Düsenbohrungen 70 in Verbindung, die in den Enden der betreffenden Vorsprünge 66 münden. Die Vorsprünge 66 ragen in zugeordnete überdimensionierte Hohlräume, die sich in axialer Richtung in den Anodenblock 52 erstrecken. Die begrenzenden Wandflächen dieser Hohlräume bilden mit den von ihnen umgebenen Vorsprüngen 66 röhrenförmige Durchlässe 74, die mit dem becherförmigen Kanal 63 in Verbindung stehen.

Wie aus Fig. 3 erkennbar ist, steht der becherförmige Kanal" o3 über eine Mehrzahl von Öffnungen 76, die sich radial durch den Anodenblock 52 erstrecken, mit einem bogenförmigen Kanal 78 in Verbindung. Dieser ist von einer an der Außenfläche des Anodenblockes 52 gebildeten longitudinalen Ausnehmung und dem anliegenden Wandbereich der Hülse 50 begrenzt und steht mit einem transversal angeordneten ri-ngför-

migen Kanal 80 in Verbindung. Der Kanal 80 befindet sich zwischen einem ringförmig hinterschnittenen Oberflächenbereich des Anodenblockes 52 und einem diesen umgebenden Teil der Hülse 50 in dem der 'Kathodenstruktur 20 zugewandten Endbereich der Anodenstruktur 30. Der Kanal 80 steht mit einem weiteren bogenförmigen Kanal 82 in Verbindung, der sich longitudinal zwischen einem hinterschnittenen Oberflächenbereich des Anodenblockes 52 und der benachbarten Wandung der Hülse 50 befindet und dem bogenförmigen Kanal 58 diametral gegenüberliegt. Der Kanal 80 steht mit dem ringförmigen Kanal 54 und infolgedessen mit der Auslaßleitung 38 in Verbindung. Somit tritt die Kühlflüssigkeit durch die Einlaßöffnung 37 des Flüssigkeitsanschlusses 42 in die Kühleinrichtung 40 ein und fließt durch die Einlaßleitung 36 und die kegelstumpfförmige Kammer 64, von der aus sie auf die betreffenden Vorsprünge 66 verteilt wird. Sie durchfließt die axialen Bohrungen 68 und die mit ihnen fluchtenden Düsenöffnungen 70 und trifft auf die gegenüberliegenden Oberflächenbereiche des Anodenblockes 52. Anschließend fließt die Kühlflüssigkeit durch die Durchlässe 74 in den becherförmigen Kanal 63, von wo sie durch die Durchlässe 76 in den longitudinalen Kanal 78 und in den ringförmigen Kanal 80 fließt. Von letzterem kehrt sie über den longitudinalen Kanal 82 in den ringförmigen Kanal 54 zurück, von wo aus sie durch die Durchlaßöffnungen 56 in die Auslaßleitung 38 und zu der Auslaßöffnung 39 gelangt.

Der der Kathodenstruktur 20 zugewandte Endbereich des Ano- . denblockes 52 bildet eine hohle zylindrische Kappe 84 mit einem axialen Hohlraum 85, der sich von der Stirnfläche des Blockes 52 aus erstreckt und mit der in dem Fokussierbecher 24 gebildeten Öffnung 26 fluchtet. Das der Kathodenstruktur 20 zugewandte Ende des Hohlraumes 85 ist offen, so daß die von der Heizfadenwendel 22 abgestrahlten Elektronen eintreten können. Das gegenüberliegende geschlossene Ende des Hohlraumes 85 wird von einer abgeschrägten Fläche 86 des Anodenblockes 52 gebildet. Auf der abgeschrägten Oberfläche 86 ist

ein Auffangelement 88 z.B. durch Eingießen in das wärmeleitende Material des Anodenblockes 52 eingebettet. Dieses.Aufτ fangelement besteht aus einem Material, z.B. aus Wolfram,aus welchem sich Röntgenstrahlung wirksam auslösen läßt. Es besitzt eine exponierte Oberfläche 94, die im wesentlichen bündig mit der abgeschrägten Oberfläche 86 des Anodenblockes 52 verläuft und in radialer Richtung mit einem Fenster 90 fluchtet, das aus einem für Röntgenstrahlung durchlässigen Material, z.B. aus Beryllium, hergestellt ist. Das Fenster 90 ist in einer öffnung 91 montiert, die sich durch die in dem Anodenblock gebildete Kappe 84 erstreckt und in radialer Richtung mit einem weiteren Fenster 92 fluchtet, das aus einem für Röntgenstrahlung durchlässigen Bereich des Kolbens 12 besteht. .

Auf diese Weise können die die Kathodenstruktur 20 als Slrahlenbündel verlassenden Elektronen auf die exponierte Oberfläche 94 des Auffangelementes 88 in einem gewünschten Bretmflockbe reixh 96 (Fig. 4) fokussiert werden. Der Brennfleckbereich besteht beispielsweise aus einer rechteckigen Fläche von 6 mm χ 20 mm. Die Elektronen des Strahlenbündels dringen in das Wolframmaterial des Auffangelementes 88 ein und erzeugen Röntgenstrahlung, die von dem Brennfleck 96 ausgestrahlt werden. Der größere Teil der in das Material des Auffangelementes 88 eintretenden elektrischen Energie wird jedoch in Wärme verwandelt, die die Temperatur des Auffangelementes 88 erheblich erhöht und abgeführt werden muß, bevor das Auffangelement beschädigt wird. Zu diesem Zweck ist das Auffangelement 88 in das Kupfermaterial des Anodenblockes 52 eingebettet, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt. Auch die Vorsprünge 66 der Kühleinrichtung 40 sind relativ zu dem Auffangelement 88 so angeordnet, daß sie eine gleichförmige Kühlung desselben bewirken und die Wärme aus dem Kolben 12 abführen.

Fig. 6 zeigt nun ein bekanntes mit 100 bezeichnetes Auffangelement, wie es bei Röntgenröhren gemäß dem Stand der Technik Verwendung findet. Das als gerader Zylinder mit Grundflächen 102 und 104 und einer Mantelfläche 106 gestaltete ; scheibenförmige Auffang-

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element 100 besteht aus einem Material, z.B. Wolfram, zur wirksamen Abstrahlung von Röntgenenergie und ist,z.B. durch "Gießen" in eine Oberfläche eines Anodenblockes 108 eingebettet, der aus einem Material, z.B. Kupfer, mit höherer Wärmeleitfähigkeit besteht. Die ebene Grundfläche 102 dient als die exponierte Auffangfläche des Elementes 100, während die andere ebene Grundfläche die Bodenfläche des Elementes bildet. Dementsprechend bilden die Bodenfläche 104 und die äußere Mantelfläche 106 des Elementes 100 mit dem benachbarten Material des Anodenblockes 108 eine becherförmige Grenzfläche 110. Daher findet an dieser Grenzfläche 110 ein abrupter Wechsel der thermischen Eigenschaften statt, der seine Ursache in den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien des Auffangelementes und des Anodenblockes hat. Die Trennfläche 110 erfä-hrt außerdem abrupte Richtungsänderungen in dem rechteckig ringförmigen Bereich 112 des Elementes 100, in welchem die. äußere kreisförmige Kante der Bodenfläche 104 auf die ringförmige Kante der zylindrischen Mantelfläche ,106 trifft.

Während des Betriebes trifft elektrische Energie in einem rechteckigen Brennfleckbereich 114 vorbestimmten Größe von beispielsweise 6 mm χ 20 mm auf die exponierte Oberfläche 102 des Elementes 100. Der größte Teil der in das Wolframmaterial des Auffangelementes 100 eindringenden resultierenden Energie wird in Wärme umgewandelt. Infolgedessen fließt die Wärme symmetrisch von dem Brennfleckbereich 114 ab und gelangt über die Trennfläche 110 in das Kupfermaterial des Anodenblockes 108. Wie aus Fig. 7 erkennbar ist, entsteht daraufhin in Richtung des Wärmeflusses in dem Element 100 und dem Anodenblock 108 eine Reihe von Isothermen 116, die beispielsweise den angedeuteten Abstand voneinander haben. Jede dieser Isothermen 116 hat etwa die Form einer symmetrisch zu dem rechteckigen Brennfleckbereich 114 liegenden Halbellipse. Ein Teil der Isothermen 116 verläuft durch die becherförmige Trennfläche 110 und erstreckt sich in das benachbarte Material des Anodenblockes 108, insbe-

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sondere in der Nähe des rechteckigen ringförmigen Käntenbereiches 112 des Elementes 100. Somit bildet "sich längs der Trennfläche 110 ein Temperaturgradient aus, der sich im Bereich der rechteckigen ringförmigen Kante 112 des scheibenförmigen Auffangelementes 10O_s wo die Bodenfläche 104 mit der zylindrischen Mantelfläche 106 rechtwinkelig zusammentrifft, rasch ändert.

In Fig. 8 sind die daraus resultierenden thermomechanisehen Beanspruchungen dargestellt, die in den Materialien des Auffangelementes 100 und des Anodenblockes 108 mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten auftreten. Diese Beanspruchungen sind in Fig. 8 als voneinander beanstandete Linien gleicher Beanspruchung 1Ί8 angedeutet. In der Nähe des Brennfleckbereiches 114 haben diese Linien 118 gleicher Beanspruchung die Form von El 1 i'psoiden, die etwa symmetrisch zu dem Brennfleckbereich 114 liegen und im großen Ganzen mit den Konturen der Isothermen 116 in Fig. 7 übereinstimmen. Im Bereich der Trennfläche 110 jedoch entarten die Linien gleicher Beanspruchung 118 in geschlossene Kurven, die um den rechteckigen ringförmigen Kantenbereich 112 des Elementes 110 zentriert sind und dort geringeren Abstand voneinander haben. Somit entwickelt sich in diesem Kantenbereich 112, in welchem die Grenzfläche 110 ihre Richtung abrupt ändert, ein Torus von Beanspruchungskräften mit hohem Gradienten, deren Komponenten aus Hauptkräften und Scherkräften gebildet sind. Wegen der abrupten Richtungsänderung in der Grenzfläche 110 in dem rechteckig ringförmigen Kantenbereich 112 ändern sich die Hauptkräfte ebenso abrupt in Richtung und Intensität. Infolgedessen rufen die Hauptkräfte' Scherkräfte hervor, die das Element 110 relativ zu dem Block 108 zu drehen versuchen und die Hauptursache für die Werkstoffermüdung darstellen. Wenn diese Komponenten der thermomechanischen Beanspruchungen die Grenzwerte des Wolfram-: und Kupfermaterials überschreiten, lösen sich die Materialien an der Grenzfläche 110 voneinander, indem das Moment 100 relativ zu dem Anodenblock 108 beispielsweise verdreht wi rd.

(6

Um das Ablösen des Auffangelementes von dem Anodenblock zu vermeiden, gibt man dem Auffangelement 88 die Gestalt eines Halbellipsoids (Fig. 2, 4, 5A und 5B), dessen Form mit den entsprechenden Konturen der Isothermen 116 in Fig. 7 entspricht. Damit besitzt das Auffangelement 88 eine flache exponierte Oberfläche 94 mit einer z.B. elliptischen Umfangslinie in der Ebene der Oberfläche 94, während die übrige Begrenzungsfläche, die der gemeinsamen Grenzfläche mit dem benachbarten Material des Anodenblockes 32 entspricht, beispielsweise die Form eines Ellipsoid.s hat. Infolgedessen sind - wie aus Fig. 9 erkennbar ist - die Hauptspannungsoder Kompressionskräfte in allen Bereichen der Grenzfläche 122 im wesentlichen senkrecht zu dieser gerichtet und haben den größten Wort, während die Scherkräfte minimal sind. Die Abmessungen des Auffangelementes 88 sind in geeigneter Weise so gewählt, daß die Lage der Grenzfläche 122 einer be- I vorzugten Isotherme von beispielsweise 500° C entspricht. j Auch die Kühleinrichtung 40 kann so modifiziert sein, daß die Düsenöffnungen 70 und die die Vorsprünge 66 umgebenden Kühlflüssigkeitsdurchlässe 74 relativ zu dem Brennfleckbereich 96 derart gelegen sind, daß die Form der Isothermen und der zugeordneten Linien gleicher Beanspruchung den gewünschten Verlauf haben. So sollten die Durchlässe 74 mit der El 1ipsoidform der Isothermen im Einklang stehen. Hieraus ergibt sich, daß der Temperaturgradient längs der Grenzfläche 122 auf einen genügend kleinen Wert verringert wird und die resultierenden thermomechanischen Beanspruchungen im wesentlichen Zug- oder Druckbeanspruchungen sind, die annähernd gleichförmig senkrecht zu allen Bereichen der Grenzfläche 122 verlaufen.

In der vorangehenden Beschreibung ist für den Brennfleckbereich eine Rechteckform unterstellt worden, er kann selbstverständlich jedoch auch eine andere Form, beispielsweise die Form einer Ellipse, haben. Außerdem ist das Auffangelement gemäß der Erfindung, das in dem Ausführungsbeispiel für eine Röntgenröhre mit Stehanode dargestellt und beschrie-

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ben wurde, auch für Röntgenröhren mit Drehanoden verwendbar, wobei das in diesem Fall ringförmige Auffangelement eine radiale Querschnittsfläche in Form einer Halbellipse an der
Grenzfläche mit dem Trägermaterial hat. Außerdem ist die Erfindung nicht auf die als Ausführungsbeispiel dargestellte
und beschriebene Röntgenröhre mit Stehanode und Flüssigkeitskühlung beschränkt; das Auffangelement ist vielmehr auch für Röntgenröhren mit Stehanoden und andersartiger Kühlung anwendbar..

Ein wesentlicher Inhalt der vorangehenden Offenbarung ist
also eine Röntgenröhre mit einer Kathode zur Abstrahlung
eines Elektronenbündels auf eine Brennfleckfläche eines Anodenauffangelementes, da·; "aus einem Röntgenstrahlung emjtticronclon Material besteht und über cine Gn? nv I 1 ix he mi I einer
Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist, wobei die Gren/fläche.so geformt ist, daß sie mit der Gestalt einer benachbarten Isothermen übereinstimmt und im wesentlichen symmetrisch zum Brennfleckbereich liegt.

Leerseite

Claims

Il ♦ *

Patentansprüche

fy. Auffangelement (Antikathode), insbesondere für eine Röntgenröhre, welches aus einem in einer Anode eingesetzten Körper besteht, der aus einem zur Emission von Röntgenstrahlung geeigneten Material (z.B. Wolfram) hergestellt ist und der eine Oberfläche besitzt, auf der ein Elektronenstrahlenbündel fokussierbar ist (Fokussierungsflache), dadurch gekennzeichnet,

daß der Körper (88) eine der Fokussierungsflache (94) gegenüberliegende zweite Begrenzungsfläche (122) aufweist, die eine konkave Form hat und in einer in der Fokussierungsflache liegenden Kante endet.
2. Auffangelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungsflache (94) im wesentlichen flach ist und daß die konkave zweite Begrenzungsflache (122) in der Ebene der Fokussierungsflache (94) und in wenigstens einer· zu dieser im wesentlichen senkrecht verlaufenden Ebene kontinuierlich gekrümmt ist.
3. Auffangelement nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Körper zumindest annähernd die Form

• einer Halbellipse hat.
4. Auffangelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierlich gekrümmte zweite Begrenzungsfläche (122) radialsymmetrisch in Bezug auf die Fokussierungsflache (94) angeordnet ist, und daß sie (122) in thermischem Kontakt mit einer Kühleinrichtung (40) steht, mittels derer Wärme von dem Körper (88) abführbar ist.
5. Auffangelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (40) einen zweiten Körper (52) umfaßt, dessen Material einen höheren Wärmeleitungskoeffizienten besitzt als der das Auff angp] erriPirt hi I-

dende Körper (88) und der eine kontinuierlich gekrümmte Begrenzungsfläche aufweist, mit welcher er der kontinuierlich gekrümmten Begrenzungsfläche (122) des erstgenannten Körpers (88) gegenüberliegt.
6. Auffangelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (40) eine Wärmevertoilung in den beiden Körpern (88, 52) in der Weise bewirkt, daß die aus dem Temperaturgradienten resultierenden Scherbeanspruchungen in den Materialien der beiden Körper (52, 88) im Bereich ihrer gemeinsamen kontinuierlich gekrümmten Grenzfläche (122) minimal sind.
7. Auffangelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Grenzfläche (122) der beiden Körper (52, 88) so geformt ist, daß sie einer vorbestimmten Wärmeverteilung relativ zu der Fokussierungsflö'he (94) des erstgenannten Körpers. (88) entspricht.
8. Auffangelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Grenzfläche (122) der beiden Körper (52, 88) eine Form besitzt, die im wesentlichen einer vorbestimmten Isothermenfläche im Bereich der Grenzfläche (122) entsprächt.
9. Auffangelement nach einem der vorhergehenden Anspruch-, dadurch gekennzeichnet, daß es Bestandteil einer Röntgenröhre (10) ist, die einen Kolben (12) besitzt,in welchem eine Kathodenstruktur (20) zur Erzeugung und Bündelung eines Elektronenstrahles in einer vorbestimmten Richtung angeordnet ist, wobei das Auffangelement (88) innerhalb des Kolbens (12) im Abstand von der Kathodenstruktur (20) so angeordnet ist, daß der Elektronenstrahl in einem Brennfleckbereich der Fokussierungsflache (94) fokussiert wird und wobei die genannte kontinuierlich gekrümmte Grenzfläche zwischen dem Körper (88) des Auffangpleinentes und dem zweiten Körper (52), in welchen das

Auffangelement eingebettet ist, radialsymmetrisch zu dem Brennfleckbereich liegt.
10. Auffangelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in den zweiten Körper (52) eingebettet ist, wobei die gemeinsame Grenzfläche beider Körper (52, 88) zumindest annähernd einer Fläche gleicher Temperatur (Isothermenfläche) entspricht, derart daß der Temperaturgradient in der gemeinsamen Grenzfläche (122) und damit die auf diesen Temperaturgradienten zurückzuführenden Scherbeanspruchungen in dieser Grenzfläche (122) minimal sind.
11. Verfahren zur Herstellung eines Auffangelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzfläche (122) zwischen dem Auf fange lemtMit (88) und dem als Wärmesenke dienenden Trägerkörper (52) in den das Auffangelement (88) eingebettet ist, in der Weise ausgeformt wird, daß sie mit der Verteilung des durch die Grenzfläche (122) stattfindenden Wärmeflusses in Übereinstimmung steht.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche (122) so ausgebildet wird, daß sie im wesentlichen einer Isothermenfläche im Grenzbereich zwischen den beiden Körpern (88, 52) entspricht.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche (122) so ausgeformt wird,daß die durch die thermomechanisehe Beanspruchung im Bereich der Grenzfläche entstehenden Zug- und Druckspannungen einen maximalen und die Scherspannungen einen minimalen Wert ha-, ben.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a d u r cn gekennzeichnet, daß die genannte Grenzfläche (122) so ausgeformt wird, daß sie eine radial symmetrisch /u dein Brenn-

fleckbereich (96) des Auffangelementes (88) angeordnete kontinuierliche Krümmung aufweist.