DE733637C

DE733637C - Roentgenroehrenanode

Info

Publication number: DE733637C
Application number: DEL100221D
Authority: DE
Inventors: Zed J Atlee
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1939-03-06
Filing date: 1940-02-28
Publication date: 1943-03-31
Also published as: GB538174A; US2250322A; FR863681A

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
31. MÄRZ 1943

9 JUNi 1943

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVe 733 KLASSE 21g GRUPPE 17

L 100221 VIIIcJ2Ig

Zed J. Atlee in EImhurst, III, V. St. A.,

ist als Erfinder genannt worden.

Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft in Berlin Röntgenröhrenanode

Patentiert im Deutschen Reich vom 28. Februar 1940 an Patenterteilung bekanntgemacht am 4. März 1943

ist in Anspruch genommen.

Zweck der Erfindung ist es, eine verbesserte Anode für Röntgenröhren zu schaffen, die geeignet ist, auch den relativ hohen Temperaturen standzuhalten, denen sie beim Betrieb ausgesetzt ist₅ ohne daß die Röntgenröhre durch Sprünge, die in der Anode auftreten, unbrauchbar wird. Es ist wesentlich, als Anodenmaterial eine dazu geeignete Legierung zu verwenden, die sowohl eine große Wärmeleitfähigkeit als auch eine geringe Korngröße aufweist und somit das Auftreten von Sprüngen bei der Erhitzung verhindert.

Weiterhin ist Zweck der Erfindung, eine

verbesserte Methode zur Behandlung von Kupferlegierungen zu schaffen, bei der ein Medium zwischen den Korngrenzen der Legierung gefällt wird. Das Verfahren dient auch zur Verhinderung einer Kornvergrößerung bei Erhitzung der Legierung, indem eine vorzugsweise aus Kupfer bestehende^. Legierung aö verwendet wird, die sich beim Betrieb mit hohen Temperaturen gut bewährt und nur eine geringe Neigung zu Materialsprüngen zeigt, die von Kornvergrößerungen bei starker Erhitzung herrühren.

Erfindungsgemäß ist daher eine Röntgenröhrenanode vorgesehen, die aus einer Kupferlegierung mit etwa 0,5 % Chrom- oder Kobaltgehalt besteht, die auf die Anodenscheibe aus widerstandsfähigem Material, vorzugsweise Wolfram oder Rhenium, aufgegossen ist und eine Rekristallisationstemperatur von mindestens 400° C aufweist. Eine derartige Kupferlegierung mit Chrom oder Kobalt erweist sich

deshalb als besonders vorteilhaft, weil diese Metallzusätze bei Wärmebehandlung und plötzlicher Abkühlung das Material durch Niederschlag zwischen den Gefügekörnern härten.

An Hand der folgenden Beschreibung und der Figuren, die in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, sei der Erfindungsgegenstand »o näher erläutert.

Fig. ι stellt im Schnitt eine Röntgenröhre dar mit einer rotierenden Anode. Fig. 2 zeigt eine Röntgenröhre im Schnitt mit fester Anode. Die Fig. 3 und 4 zeigen Schnitte durch Guß formen, in denen die Anoden nach den Fig. 2 und 3 als Gußstücke hergestellt werden sollen.

Nach Fig. 1 besteht die Anodenanordnung 11 aus einem Körper aus einer Kupferlegierung. Das Material dieses Körpers soll gewisse Bedingungen erfüllen, die weiter unten beschrieben werden. In diesem Körper ist eine Scheibe 13 eingebettet. Die Anode und deren Scheibe sind in einem evakuierten, ge- »5 wohnlich aus Glas bestehenden Gefäß gemeinsam mit der Kathode 15 angeordnet, so daß, wenn an die Anode und die Kathode Spannung angelegt wird, Röntgenstrahlen erzeugt werden.

Nach Fig. 1 besteht die Kathode 15 aus einem Glühfaden 17, der in einer Richtkappe ■ 19 derart angeordnet ist, daß ein Elektronenstrahl auf die Scheibe 13 geworfen wird.

Die Anode 11 besteht aus einer Platte 21, in die die Scheibe 13 als ringförmiges Band 23 eingelassen ist. Die Platte 21 ist an einem geeigneten Rotationsschaft 27 befestigt.

Die Erfindung bezieht sich jedoch nicht nur auf Drehanoden, sondern auch auf feststehende Anoden, wie in Fig. 2 dargestellt ist, mit" einem zylindrischen · Körper 29 aus einer Kupferlegierung, die die gewünschten Eigenschaften aufweist. Der Körper 29 hat eine geneigte Vorderfläche, in die die Scheibe 13 ♦5 eingebettet ist.

Durch das Auftreffen von Elektronen, die •von der Kathode 15 emittiert werden, auf die Scheibe 13 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen wird die Anode stark erhitzt. Es wurde beobachtet, daß gewöhnliches Kupfer mit einer Glüh- oder Rekristallisationstemperatur von 165⁰ C, das als Material für einen Anodenkörper benutzt wurde, nicht genügend den Temperaturen widersteht, denen die Anode während des Betriebes.ausgesetzt ist. Gewöhnliches Kupfer und andere bekannte Anoden- i materialien zeigen die Neigung zur Sprungbildung in dem" Körper der Anode, die zum Teil von der Kornvergrößerung und der ungleichmäßigen Erhitzung und Kühlung herrühren. Die Sprünge treten anfangs gewöhnlieh an dem an der Scheibe 13 anliegenden j Teil auf, da der Anodenkörper in der Nähe der Scheibe die höchste Temperatur aufweist. Die Sprünge dehnen sich daher durch den Körper der Anode hindurch aus. Derartige Sprünge verhindern einen freien Durchgang der Wärme durch den Körper und somit eine Wärmezerstreuung von der Scheibe durch den Anodenkörper, so daß die Scheibe zu glühen beginnt und unbrauchbar wird.

Das Auftreten von Sprüngen wurde insbesondere bei Drehanoden beobachtet, bei denen die Größe und die Masse des Anodenkörpers und somit ihre Fähigkeit zur Wärmezerstreuung so klein als möglich gemacht ist. Dies ist bedingt durch die Rotation der Anode und durch die Forderung, die rotierende Masse so gering wie möglich zu halten. · Bei feststehenden Anoden nach Fig. 2 treten ebenfalls Anodensprünge auf, jedoch in geringerem Grad als bei Drehanoden, da eine feststehende Anode besser mit entsprechenden wärmeleitenden Vorrichtungen versehen werden kann als eine Drehanode.

Das Auftreten von Kornvergrößerungen bei Anoden aus einer Kupferlegierung unter der Einwirkung von Hitze im Betrieb bewirkt Sprünge in dem Anodenfuß. Das Auftreten derartiger Sprünge bewirkt eine Wärmeisolierung und verhindert somit, daß die Hitze, die auf der Scheibe erzeugt wird, so rasch wie möglich abgeführt wird. Unter diesen Umständen wird die Scheibe überhitzt, erhält Risse und Sprünge und wird somit unbrauchbar.

Anodensprünge, die in der Längsrichtung durch den Körper der Anode auftreten, geben gasundichte Stellen, die das Innere der Röhre mit ihrem Äußeren verbinden, wenn die Anode ior. in dem Gefäß durch eine Glasmetall verbindung eingeschmolzen ist. Es ist also die innere Anordnung durch die Undichtigkeit infolge der Sprünge nicht betriebsfähig.

Eine Anode für eine Röntgenröhre wird er- tos findungsgemäß durch Gießen des Anodenmaterials in eine geeignete Form, in die die Scheibe 13 eingelegt ist, hergestellt. In Fig. 3 ist eine Form zum Guß von Drehanoden dargestellt. Diese Form besteht aus geeigneten Wänden 33 und aus einem gebogenen Boden 35 zur Aufnahme der Scheibe 13. Die Scheibe 13 besteht vorzugsweise aus Wolfram oder auch Platin, Rhenium, Uran oder anderen ähnlichen Metallen mit hohem Schmelzpunkt, deren Atomzahl zwischen 72 und 92 liegt. Rhenium und Wolfram haben sich in der Praxis besonders bewährt. Der Hauptvorteil von Rhenium gegenüber Wolfram besteht darin, daß Rhenium duktil ist und somit weniger leicht zur Riß-bildung neigt, wenn es sehr hohen Temperaturen, wie z. B. durch den

Brennfleck bei Röntgenröhren, ausgesetzt ist. Eine Rheniumscheibe widersteht daher wesentlich besser den Temperaturen, insbesondere den außerordentlich hohen Temperaturen, bei denen Scheiben, die aus Wolfram- bestehen, weniger beständig sind. Wolfram ist keine elastische Substanz, so daß, wenn der Brennfleck zu stark erhitzt wird, durch das Auftreten von Sprüngen in der Grundfläche und

to somit durch das ,Wegfallen der Wärmezerstreuung, die Scheibe selbst Sprünge durch den Brennfleck erhält.

Bei feststehenden Anoden wird die Scheibe vorteilhaft' knopfähnlich ausgebildet, während die Scheibe bei einer Drehanode entsprechend Fig. ι vorteilhaft aus einem ringförmigen Band hergestellt wird. Es ist gewöhnlich erforderlich, beim Gießen des Anodenmaterials auf die Scheibe letztere auf dem Boden der Gußform, in die die Anode gegossen wird, zu befestigen, um ein Verrutschender Scheibe in der Gußform zu verhindern. Zu diesem Zweck ist entsprechend Fig. 3 die Scheibe 13 mittels Haltedrähten 39 befestigt, die in geeigneten

»5 Durchbohrungen in der Gußform liegen und deren Enden über die Scheibe gekrümmt sind. Nachdem die Anode als Gußstück in die Form eingeschmolzen ist, wird die fertige Anode herausgehoben und die äußeren Enden der Haltedrähte 39 abgeschnitten.

Durch die vorliegende Erfindung sollen Anodenkörper 11 hergestellt werden, die aus einer leicht zu behandelnden Kupferlegierung bestehen und große Leitfähigkeit und Härte aufweisen sowie eine hohe Glüh- oder Rekristallisationstemperatur. Als vorteilhaft hat sich eine vorzugsweise aus Kupfer bestehende Legierung erwiesen, der als Legierungszusatz Chrom oder Kobalt beigefügt ist. Eine derartige Legierung hat sich als genügend sprungsicheres Anodenmaterial mit den vorher beschriebenen Eigenschaften bewährt. Der Chromanteil ist dabei etwa q,5 %. Eine derartige sprungsichere Legierung wird zur Anoderibildung erfindungsgemäß derart verwendet, indem sie in geschmolzenem Zustand auf die Scheibe 13 aufgegossen wird, die vorteilhaft aus einem vorgeformten Stück Wolfram, Rhenium oder anderem geeigneten Scheibenmaterial besteht. Da die Legierung die Scheibe nicht ausreichend benetzt und somit ' die Kupferchromlegierung schlecht an das Scheibenmaterial anschmilzt, insbesondere wenn letztere aus Wolfram besteht, ist es vorteilhaft, der Legierung ein geeignetes Desoxydationsmittel, beispielsweise Beryllium, Lithium, Bor oder Calcium, zuzufügen. Besonders Beryllium, aber in ganz besonderem Maße hat sich Lithium als geeignet erwiesen. Das Desoxydationsmittel bildet vorteilhaft 1% der gesamten Legierungsbe'standteile. Als besonders geeignet hat sich eine Legierung aus 98,5% Kupfer, 1% Beryllium und 0,5% Chrom erwiesen.

Um die gewünschte Härte, Leitfähigkeit und Sprungsicherheit zu erreichen, soll das Material auf wenigstens 900⁰ C erhitzt werden, was bei der ursprünglichen Herstellung der Legierung oder beim Schmelzen der Legierung zum Gießen in eine Form vorgenommen werden kann. Die Legierung soll dann schnell gekühlt werden. Durch diese schnelle Kühlung wird ,erreicht, daß der Chrombestandteil sich zwischen den einzelnen Körnern in dem Gußstück während des folgenden Härtungsprozesses niederschlägt. Wenn das Gußstück nicht schnell genug gekühlt wird, entweicht das Chrom aus dem Gußstück teils durch Dampf, meist jedoch dadurch, daß es zur Oberfläche des Gußstückes wandert, wo der Chrombestandteil oxydiert wird. Nach der raschen Kühlung wird die Legierung durch Erhitzen aiuf etwa 500 ° C je nach Größe des Stückes 2 bis 4 Stunden gehärtet.

Gewöhnlich genügt zur Kühlung das Eintauchen in Wasser. Jedoch wird bei der Verwendung von Wolfram als Scheibe letztere durch Wasserkühlung leicht beschädigt. In Übereinstimmung mit der Erfindung wird die Legierung in einem Vakuumgießofen auf die Scheibe 13 in die Gußform eingegossen und darauf im Vakuum genügend schnell gekühlt. Nachdem das Gußstück in dem Gußofen gekühlt ist, kann es unmittelbar ohne weitere Behandlung in das Gefäß der Röntgenröhre eingebaut werden und wird dann einige Stunden lang einem Ausglühprozeß bei annähernd 500⁰ C ausgesetzt, während das Röhrengefäß mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. Während des Ausglühprozesses wird die Anode mit Elektronen beschossen. Diese Beschießung zusammen mit dem Ausglühprozeß bewirkt eine genügende Wärmebehandlung bei 500⁰ C, um wirksam die Härte der Anode zu vergrößern, indem das Chrom zwischen die einzelnen Körner in dem Gußstück niedergeschlagen wird. Das Niederschlagen von Chrom durch die Wärmebehandlung bei 500° C vergrößert nicht nur die Härte der Legierung, sondern auch die Festigkeit. Nach der Hitzebehandlung hat die Legierung eine Ausglühtemperatur von etwa 500⁰ C, d. h. es tritt keine Kornvergrößerung oder eine Verminderung der Härte ein, solange die Temperatur der Anode 500° C nicht übersteigt. Eine derart hergestellte Röhre weist «eine Härte von mindestens 50 Rockwelleinheiten auf.

In der Röntgenröhre bleibt die Anode unversehrt bei Betriebstemperaturen von etwa 400⁰ C und bis zu 500⁰ C. Bei diesen Temperaturen treten keine Sprünge auf. Die Legierung hat eine Wärmeleitfähigkeit von unge-

fähr 75 % der Wärmeleitfähigkeit von Kupfer 'bei Zimmertemperatur und 90% der von Kupfer bei 400⁰ C, so daß sie sich sehr gut für den beschriebenen Zweck eignet. Während die Härte eine gewünschte Eigenschaft ist, ist die hohe Leitfähigkeit wesentlich, um eine schnelle Wärmezerstreuung von der Stelleder Scheibe, an der sie erzeugt wird, zu erreichen. Dies sind Vorteile gegenüber anderen Kupferlegierungen, die zwar eine größere Härte und eine größere Glühtemperatur aufweisen. Es ist wesentlich, nicht nur ein .Material zu verwenden, das eine relativ hohe Glühtemperatur zur Verhinderung von Kornvergrößerungen bei den Betriebstemperaturen, bei denen die Anode benutzt wird, aufweist, sondern auch ein Material zu verwenden, das eine hohe Leitfähigkeit besitzt.

Claims

Patentansprüche:

i. Röntgenröhrenanode., dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Kupferlegierung mit etwa 0,5 % Chrom- oder Kobaltgehalt besteht, die auf die Anodenscheibe aus widerstandsfähigem Material, vorzugsweise Wolfram oder Rhenium, aufgegossen ist und eine Rekristallisationstemperatur von mindestens 400⁰ C aufweist.
2. \^rerfahren zur Herstellung einer Röntgenröhrenanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung in an sich bekannter Weise von einer hohen Temperatur, vorzugsweise etwa 900⁰ C, schnell abgekühlt und darauf durch Erhitzung auf etwa 500⁰ C erhärtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießen und die Abkühlung der Anode im Vakuum vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung auf etwa 500⁰ C nach dem Einbau der Anode in das Gefäß vorgenommen wird.
5. Röntgenröhrenanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung als Desoxydationsmittel etwa r % Beryllium, Lithium, Calcium oder Bor enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen