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Röntgenröhren-Drehanode
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Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhren-Drehanode nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Eine solche Drehanode ist etwa bekannt aus GB-PS 12 19 042.
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Bei der bekannten Röntgenröhren-Drehanode ist der Metallring auf einen
Trägerkörper, insbesondere einem solchen aus Graphit, nur aufgeschrumpft. Dabei
hat es sich als nachteilig erwiesen, daß wegen des schlechten Wärmeübergangs auf
dem Graphit wegen nur punktförmiger Beruhrung keine stabile Konstruktion der Anode
erhalten wird. Auch eine mechanische, die Aufschrumpfung ergänzende Halterung, etwa
mit Schrauben, (vgl. Figur 4a der DE-pS 17 89 048, Bezugszahl 31a) ergab wegen des
gleichen Effektes und aus den unterschieldichen Dehnungen Metall-Graphit keinen
ausreichenden Halt.
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Auch eine Anordnung eines Metallrings auf einer schrägen Außenfläche
und eine Umbürdelung konnten wegen der oben beschriebenen Mängel nicht befriedigen
(vgl. Figur 8, Bezugszahlen 55 bis 57 der GB-PS).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Drehanode für
Röntgenröhren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowohl verbesserte Halterung
als auch verbesserte Wärmeableitung zu erzielen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Maßnahmen erreicht.
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Durch die Ergänzung der Auf schrumpfung durch eine Lötung wird insbesondere
dann unter allen bei der Röntgen-
strahlenerzeugung nötigen Bedingungen
eine sichere Halterung des Rings an dem Tragkörper erreicht, weil der Wärmeübergang
durch die Lotfläche die gesamte Berührungsfläche erfaßt und damit der Temperaturausgleich
ohne Sprungstelle erfolgt.
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Die Erfindung geht dabei davon aus, daß die Gefahr des Reißens des
Metallrings bzw. des Tragkörpers vermieden werden soll, indem die zu verlötenden
Durchmesser bei Betriebstemperatur möglichst gleich groß sind. Dies wird dadurch
erreicht, daß der Durchmesser des Metallteils bei Raumtemperatur um ein berechenbares
Maß kleiner ist als der Durchmesser des Graphitteils. So wird gewährleistet, daß
im kritischen Betriebsfall die auftretenden Spannungen minimal werden.
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Es muß also nur der Durchmesser des Metallrings bei Betriebstemperatur
möglichst gleich dem Außendurchmesser des Trägerteils bei Betriebstemperatur angeglichen
sein.
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Dies wird z. B. erreicht durch Verwendung eines Träger körpers aus
Graphit, der an seiner Peripherie unter Verwendung von Zirkonlot o. ä. mit einem
etwa aus einer Molybdänlegierung bestehenden Metallring, der mit Wolfram-Rhenium
plattiert ist, verbunden wird. Bei einem Außendurchmesser des Rings von z.B. 100
mm kann die Dicke der Lotschicht 0,1 mm betragen und bei größerem Durchmesser, z.B.
300 mm bis auf ca. 0,25 m, erhöht sein. Ein Lotspalt von 0,15 mm hat sich bei den
üblichen Anodenabmessungen wegen der dabei erzielbaren ganzflächigen Benetzung als
günstig erwiesen. Die Lottemperatur ergibt beim Zirkonlot etwa 1580°C.
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Der unabhängig vom Graphitteil, aber im gleichen Vakuumraum erwärmte
metallische Ring wird in einem Ausführungsbeispiel zur Herstellung der Verbindung
auf eine solche Temperatur gebracht, daß der Innendurchmesser des Rings gleich dem
Außendurchmesser des Tragkörpers plus Lotschicht entspricht. Dabei wird ausgegangen
von einem Innendurchmesser des Rings bei Raumtemperatur, der kleiner ist als der
Außendurchmesser des Trägerteils plus Lotschicht.
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Die Größen werden dabei etwa in bekannter Weise errechnet (vgl. z.B.
Duppel 11. Auflage, Seite 592 ff.).
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Aus den gegebenen Elastizitätsmodulen der beteiligten Wirkstoffe sowie
den zulässigen Festigkeiten und Wärmeausdehnungen kann das erforderliche Übermaß
ermittelt werden. Dieses soll so sein, daß bei Raumtemperatur der metallische Ring
neben der Lötung auch noch auf das Graphit aufgeschrumpft ist. Dabei soll durch
den Metallring auf das Trägerteil eine Druckspannung ausgeübt werden. Bei Betriebstemperatur,
die höher als die Raumtemperatur liegt, wird wegen einer Wärmeausdehnung des metallischen
Rings eine Entlastung der Druckspannungen eintreten.
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Bei der Berechnung des Übermaßes muß bedacht werden, daß einerseits
die zulässige Zerreißfestigkeit des metallischen Rings, die bei Raumtemperatur erreicht
werden könnte, nicht überschritten wird und desgleichen die zulässige Druckfestigkeit
des Graphitteils, die ebenfalls bei Raumtemperatur erreicht werden könnte.
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Diese Festigkeitswerte sind z. B. aus Werkstofftabellen bekannt und
daher als Grenzwerte vorgegeben.
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Durch das Hinzufügen einer Verlötung zur bekannten Befestigung durch
Auf schrumpfung wird
a) die Konstruktion einer Ringanode erst möglich,
weil erst dann ein Abreißen des Ringes bei Erwärmen (z.B. durch Elektronenbeschuß)
vom Trägerkörper, durch die gute Wärmeübertragung des Lotes und dadurch annähernd
gleicher Temperatur von Ring und Trägerkörper vermieden wird, b) durch die Verlötung
der Übergang der Wärme gegenüber einer reinen Schrumpfung wegen der Eröffnung direkter
Wärmeleitwege wesentlich verbessert.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert.
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In der Figur 1 ist ein perspektivisches Schaubild einer Röntgenröhre
dargestellt, bei welcher der Drehanodenteller teilweise aufgebrochen ist, und in
den Figuren 2 bis 5 jeweils die eine Hälfte verschiedener Ausgestaltungen parallel
zur Drehachse aufgebrochener Drehanodenteller.
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In der Figur 1 ist mit 1 der Vakuumkolben einer Drehanoden-Röntgenröhre
2 gezeichnet. Diese ist in an sich bekannter Weise aufgebaut und enthält an den
beiden Enden des Kolbens einander gegenüberliegend eine Kathodenkombination 3 und
eine Anodenkombination 4.
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Die Kombination 3 besteht aus einer Halterung 5 für durch eine abschirmende
Umhüllung 6 in der Figur abgedeckte Glühkathoden. Die Anodenkombination 4 umfaßt
in bekannter Weise einen Rotor 7, eine Achse 8 und einen Anodenteller 9. Letzterer
besteht aus einem
15 mm starken Teilkörper aus Graphit, der am freien
Ende der Achse 8 befestigt ist. Um den äußeren Rand des Trägerkörpers 10 aus Graphit
ist ein wulstartiger Metallring 11 aus Wolfram durch Aufschrumpfen fest herumgelegt.
An der Berührungsfläche liegt außerdem noch eine Lotschicht 12, die aus Zirkon besteht
und 0,1 mm dick ist. Dabei ist die lichte Weite des Rings so gewählt, daß der Ring
11 nach starker Erhitzung gerade um den Körper 10 und die Lotschicht 12 herumpaßt
und sowohl durch den beim Abkühlen auftretenden Schrumpfungsvorgang als auch durch
das Lot 12 fixiert wird.
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Zur Strahlenerzeugung wird in bekannter Weise zwischen einer der Leitungen
15, 16, 17 und dem Anodenanschlußstutzen 18 Hochspannung gelegt. Die Heizspannung
der Glühkathode liegt dabei zwischen der Leitung 16 und einer der Leitungen 15 und
17. Damit können auf der Oberfläche des'Rings 13, d.h. den Brennfleckbahnen 19 oder
20 bzw. auf beiden gemeinsam, durch Beaufschlagung mit Elektronen Röntgenstrahlen
erzeugt werden. Gleichzeitig wird die Kombination 4 in bekannter Weise mittels eines
außen an der Röhre dem Rotor 7 zugeordneten, nicht dargestellten Stators in Rotation
versetzt. Die Bahnen 19 und 20 unterscheiden sich in ihrer Neigung gegen über der
Senkrechten auf der Drehachse. Die Bahn 20 ist um 100 und die Bahn 19 um 17,50 nach
unten geneigt, so daß die in der Röntgenaufnahmetechnik übliche Anwendung verschieden
großer Aufnahmefilter erleichtert ist.
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Bei Belastungen wird im Vergleich zu üblichen tellerförmigen Drehanoden
wegen der Konzentration des Schwermetalls im wulstartigen Ring 11 die in der Brennfleckbahn
auftretende Wärme schneller geleitet. Der Ring
weist nur kurze Wärmeleitwege
auf. Die Übertragungen der Wärme auf den Trägerkörper 10 aus Graphit über die Lotschicht
12 schließen sich dann an. Sie führt wegen der schwarzen Oberfläche des Graphits
zu begünstigter Abstrahlung. Auch bei länger andauernder Belastung wird so gut die
Kühlung des Anodentellers 9 gewährleistet.
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In der Figur 2 ist eine abgewandte Ausbildungsform des Drehanodentellers
dargestellt. Der im vorliegenden Beispiel aus Graphit bestehende Tragkörper 21 ist
z.B. 20 mm dick und hat einen Durchmesser von 80 mm.
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Er trägt an seiner oberen Außenkante eine Abstufung 22, in welcher
ein Metallring 23 an einer Schicht 24 eingelötet ist. Zur Befestigung an der Achse
8 ist ein Ubergangsstück 25 vorgesehen, welches bis auf den oberen Rand 26 einen
Abstand von 5 mm von der Achse 8 aufweist. So wird der Wärmeübergang vom Anodenteller
9 auf die Achse 8 verringert. Durch den Einsatz des Rings 23 in eine Abstufung 22
des Tragkörpers 21 wird eine sichere Befestigung erreicht.
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In der Figur 3 ist an der Außenseite eines Tragkörpers 27 aus Graphit
ein Ring 28 aus einer 5 Gewichtsprozent Molybdän enthaltenden Wolframledierung angebracht.
Die Lötschicht 29, die aus Zirkonium besteht, liegt an einer Fläche, die bezüglich
der Drehachse 8 um einige Grad, d.h. in der Figur um 30, geneigt ist, so daß die
der Kathodenkombination zugewandte Fläche kleiner ist als die gegenüberliegende.
Dadurch wird erreicht, daß sich eine zusätzliche Sicherung des Rings gegen ein Abrutschen
vom Tragkörper 27 ergibt.
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Der in der Figur 4 dargestellte Ausschnitt aus einem Anodenteller
weist gegenüber den übrigen Figuren hauptsächlich den Unterschied auf, daß am Träger
30 ein
Ring 31 angebracht ist, der nur eine Dicke von 10 mm hat,
während der Träger 30 30mm dick ist. Der Träger 30 erhält dadurch mehr Masse unc
eine große Oberfläche.
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Dies ergibt eine Erhöhung der Wärmekapazität und ein besseres Wärmeabstrahlungsvermögen.
Eine solche Vergrößerung des Tragkörpers ist auch bei den Ausbildungsformen nach
den Figuren 1 bis 3 möglich.
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Die Ausführungsform nach Firug 5 stellt einen Anodenteller 32 dar,
bei welchem sowohl zur Mitte 33 als auch über die Unterseite 34 des Ringes 35 eine
großflächige Wärmeableitung gewährleistet ist.
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7 Patentansprüche 5 Figuren
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