DE919307C - Scheibenfoermige Anode fuer Roentgenroehren - Google Patents

Description

Es ist üblich, den Anodenkörper von Röntgenröhren wenigstens an der Auftreffstelle der Elektronen aus Wolfram herzustellen, weil dieses Metall infolge seines hohen Schmelzpunktes eine besonders hohe Belastung verträgt und infolge seiner hohen Atomnummer eine gute Röntgenstrahlenemission ergibt.

Bei der Abbremsung des Elektronenstrahls wird jedoch nur ein kleiner Teil der Energie in Röntgenstrahlen, der große Teil aber in Wärme umgesetzt, und die Abführung dieser Wärmeenergie ist es, die große Schwierigkeiten mit sich bringt und beim Bau von Röntgenröhren besondere konstruktive Maßnahmen zur Kühlung der Anodenauftreffplatte bedingt.

Für die Abfuhr der entwickelten Wärme bestehen grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten, nämlich Wärmeableitung und Wärmeabstrahlung, von denen meist eine bei weitem überwiegt.

Wird vorwiegend Wärmeableitung angewendet, so wird hinter einer als Auftreffplatte dienenden Wolframschicht ein Ableitkörper aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, angeordnet, der sich bis zum eigentlichen Kühler, z. B. zu einem Fächerkörper für Konvektionskühlung in Luft oder zu einer von einer Flüssigkeit oder von Druckluft bespülten Fläche, erstreckt und insbesondere wegen des nur' kleinen zulässigen Temperaturgefälles einen verjiältnis-

mäßig großen Querschnitt haben muß, so daß die Anordnung ziemlich schwer ausfällt (sogenannte Schwer anode).

Da durch eine solche Ableitungskühlung ein starkes Ansteigen der Anodentemperatur leicht verhindert werden kann, bringt auch die Verwendung von Kupfer als Material für den Ableitkörper keine Schwierigkeiten, dessen Temperatur im Betrieb nämlich nicht höher als etwa 900° C ansteigen darf, Infolge des notwendigen Kühlers, durch den die Wärme auf ein Kühlmittel niedriger Temperatur übergeführt wird, benötigt eine solche Anordnung im allgemeinen ein verhältnismäßig großes Bauvolumen bzw. kann wegen der erforderlichen Zuleitungen für das Kühlmittel, insbesondere öl, Wasser oder Luft, nur mit Schwierigkeiten in seiner Lage geändert werden.

Wird jedoch vorwiegend Strahlungskühlung verwendet, so soll die Anodenoberfläche möglichst groß sein, oder der Anodenkörper soll aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt bestehen; dies ist günstig, weil die von einer strahlenden Oberfläche abgestrahlte Leistung etwa der vierten Potenz der absoluten Temperatur proportional ist. Man gelangte so zu scheibenförmigen Anoden mit verhältnismäßig geringem Gewicht, die aus Wolfram hergestellt sind. Von der Auftreffstelle zu den anderen Teilen der Anodenoberfiäche ist hierbei natürlich auch Wärmeleitung wirksam, doch verläßt die Wärmeenergie die Anode dann überwiegend als Strahlung.

Weiter spielt es eine wesentliche Rolle, in welcher Zeitspanne die Wärmeenergie der Anode zugeführt wird und welche Zeitspanne zur Abführung zur Verfügung steht. Bei ununterbrochener Belastung über längere Zeit, z. B. bei Durchleuchtung und Therapiebestrahlung von Patienten, stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen der Wärmeerzeugung und der Wärmeabfuhr ein. (Die abgestrahlte Wärmeleistung entspricht dann in jedem Augenblick der aufgestrahlten elektrischen Leistung.) Die Wärmekapazität der Anode ist dabei belanglos, jedoch kann die Wärmeleitfähigkeit wichtig sein. Bei photographischen Röntgenaufnahmen hingegen wird während der meist kurzen starken Belastung nur ein sehr geringer Teil der erzeugten Wärme wieder abgeführt. Weitaus der größte Teil wird an der Auftreffstelle und in ihrer unmittelbaren Umgebung zunächst aufgespeichert. Dort steigt die Temperatur also schnell und stark an (bei Wolfram bis 2500° C zulässig). Nach beendeter Belastung breitet sich die Wärme im Anodenkörper aus, wodurch die Temperatur an der Auftreffstelle absinkt und im übrigen Teil des Körpers ansteigt, bis infolge der Wärmeabfuhr nach außen wieder ein Temperaturrückgang auftritt. Hier kommt es auf die spezifische Wärme, die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität in der Umgebung der Auftreffstelle an.

Es kann auch erwünscht sein, eine Anzahl \^ron kurzzeitigen Belastungen innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeit auf die Röhre zu geben (z. B. bei Reihenaufnahmen), wonach dann eine längere Zeit zur Abkühlung zur Verfügung steht. Dabei kann zwar zwischen den einzelnen Kurzbelastungen ein Ausgleich der Wärme wenigstens über einen großen Teil des Anodenkörpers eintreten, und so kommt seine gesamte Wärmekapazität zur Wirkung. Wenn in den Abständen zwischen den Kurzbelastungen aber nur ein geringer Teil der aufgebrachten Energie wieder abgestrahlt werden kann, steigt dabei die Anoden temperatur von Belastung zu Belastung an. Die Gesamtzahl der kurzen Belastungen, die in dieser Weise dicht hintereinander aufgebracht werden kann, ist bei gegebener Energiemenge der Einzelbelastungen durch die Wärmekapazität der Anode 'bestimmt.

Trotz des verhältnismäßig geringen Volumens einer Scheibenanode ist die wirksame Wärmekapazität groß, weil bei Verwendung von Wolfram als Anodenmaterial ein Temperaturanstieg bis etwa 2500⁰' C zulässig ist. Da weiter, wie bereits erwähnt, die Wärmeabstrahlung mit der Temperatur des Strahlers stark zunimmt, kann eine solche Scheibenanode aus hochschmelzendem Material eine relativ große Wärmemenge aufnehmen und auch in kurzer Zeit wieder abgeben. Hinsichtlich der Belastbarkeit bzw. Überlastbarkeit bestehen daher für verschiedene Zwecke keine Nachteile gegenüber der Verwendung einer Schweranode.

Die Höchsttemperatur, die die Anode bei solchem Betrieb mit kurzzeitigen Belastungen annimmt, ist insbesondere von der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit in der Nähe der Auftreffstelle abhängig. Während einer kurzen Belastung kann die Energie nämlich nur die unmittelbar in der Umgebung der Auftreffstelle gelegenen Teile erreichen, sich aber nicht über größere Teile des Anodenkörpers ausbreiten und erst recht nicht in wesentlichem Maße abgestrahlt werden oder gar zu einem Kühlmittel hin abfließen.

Man kann die Wärme dadurch besser verteilen und damit insbesondere die Belastbarkeit für kurze Belastungen erhöhen, wenn man den Elektronenstrahl während der Belastungszeit auf verschiedene Teile der Anodenoberfläche fallen, die Auftreffstelle also wandern läßt, und zwar dadurch, daß man die Anode bewegt; solche Ausführungsformen sind als Drehanoden bekannt.

Die Belastbarkeit der Anode für einzelne kurze Belastungen bzw. die Überlastbarkeit kann man insbesondere dadurch erhöhen, daß man die Wärmekapazität und/öder die Wärmeleitfähigkeit in der Umgebung der Auftreffstelle vergrößert. Weiter ist für die Ausführung einer Reihe von kurzen starken Belastungen in verhältnismäßig kurzer Folge hintereinander eine Vergrößerung der Wärmekapazität auch an anderen Stellen der Anode erwünscht, wobei auch dafür eine gute Wärmeleitung, insbesondere durch einen ausreichenden Querschnitt, von der Auftreffstelle zu den entfernteren Anodenteilen und zu den kühlenden Flächen erforderlich ist. Man muß daher zweckmäßig die Anoden dicker ausbilden.

Man hat schon bei Schweranoden mit Ableitungskühlung an der Auftreffplatte aus Wolfram

meist einen Körper aus Kupfer angeordnet, das eine hohe spezifische Wärme und eine große Wärmeleitfähigkeit besitzt, so daß in kurzer Zeit viel Wärme aufgenommen werden kann, die sich, auch wenn wegen der Kürze der Zeit anfänglich eine merkliche Abfuhr an einen Kühler nicht möglich ist, schnell wenigstens auf den eigentlichen Anodenkörper ausbreitet.

Für Drehanodenröhren kommen aber Schweranöden nicht in Betracht, und es eignen sich scheibenförmige Anoden besonders gut, weil die auf eine Drehanode aufgebrachte Wärme nicht, wie bei einer festen Anode, durch Wärmeleitung auf einfache Art abgeführt werden kann; die Strahlungskühlung ist dann also das Gegebene. Das geringe Gewicht einer Scheibenanode ist für ein drehbares System insbesondere wegen der Lagerung und bei hohen Tourenzahlen auch wegen des erforderlichen Gleichgewichtes der Zentrifugalkräfte (keine Un-

ao wucht) vorteilhaft.

Zur Erhöhung der Wärmekapazität und damit der Belastbarkeit für kurze Belastungen kann man Kupfer nur bei Kühlung durch Wärmeableitung und Benutzung eines Kühlmittels, z. B. öl, Luft oder Wasser, nur bei Schweranoden verwenden, weil dann die Temperatur des Kupfers überall unterhalb der Schmelz- bzw. Verdampfungstemperatur gehalten werden kann und trotzdem ausreichend hohe Belastungen möglich sind.

Wenn man jedoch z. B. aus Gründen des Gewichtes oder als Drehanode einen scheibenförmigen Anodenkörper verwendet, bei dem die Wärmeabfuhr bei hoher Belastung vorwiegend durch Strahlung erfolgt, ist die Verwendung von Kupfer nicht möglich, weil die Anordnung so ausgelegt werden müßte, daß schon bei der niedrigen zulässigen Temperatur des Kupfers die volle Leistung abgestrahlt wird, dann muß die Fläche sehr groß sein, und die Anordnung wird so umfangreich, daß die erwünschten Vorteile insbesondere hinsichtlich des geringen Gewichtes verlorengehen. Weiterhin besteht dabei die große Gefahr, daß das Kupfer, das hinter einer üblicherweise aus Wolfram bestehenden dünnen Auftreffplatte angeordnet ist, schon bei geringer Überlastung verdampft und durch Ionenbildung zu Bogenentladungen und damit zur Zerstörung der Röhre führt, insbesondere, wenn sich in der dünnen Wolframauftreffplatte ein Riß bildet und so das Kupfer dem auffallenden Elektronenstrahl ungeschützt ausgesetzt ist und örtlich überhitzt wird.

Dieser Nachteil könnte dadurch vermieden werden, daß die ganze, zur Erzeugung erhöhter Belastbarkeit dickere scheibenförmige Anode aus Wolf-SS ram hergestellt ist. Dies ist aber nicht durchführbar, weil die Verarbeitung von Wolfram sehr schwierig ist, so daß umfangreiche Körper mit verwickelten Formen, ja sogar verhältnismäßig einfache Scheiben mit einer Dicke von z. B. mehr als 3 bis 5 mm praktisch nicht hergestellt werden können.

Diese Schwierigkeiten kann man umgehen, und man kann eine scheibenförmige Anode für Röntgenröhren, insbesondere Drehanodenröhren, bei der die Wärmeabfuhr bei hoher Belastung vorwiegend durch Strahlung erfolgt, in einfacher Weise und in praktisch beliebiger effektiver Dicke herstellen, wenn gemäß der Erfindung die Scheibe aus zwei oder mehreren gleichmäßig starken Einzelscheiben zusammengesetzt ist, von denen die als Aufprallfläche dienende Scheibe aus Wolfram und die weitere(n) Scheibe(n) aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt höher als 2000⁰ C, vorzugsweise aus Molybdän, besteht.

Die einzelnen Scheiben können dann verhältnismäßig dünn sein, für die gesamte Anode ergibt sich jedoch eine größere Dicke. Dünne Scheiben lassen sich einfach und sicher herstellen, wenn die Scheiben, jede in sich, gleichmäßig stark sind, also jede Scheibe an jedem Punkt der Oberfläche praktisch gleiche Materialdicke aufweist. Das verlangt natürlich nicht, daß die Scheiben etwa eben sein müssen, und selbstverständlich können auch verschiedene Scheiben verschiedene Dicke aufweisen.

Eine solche Anordnung eignet sich zwar besonders für Drehanodenröhren, kann aber auch bei feststehenden Anoden mit Strahlungskühlung vorteilhaft Anwendung finden. Es kann zweckmäßig sein, für alle einzelnen Scheiben gleiche Stärke zu wählen und sie aus Wolfram herzustellen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, nur die.als Aufprallfläche für den Elektronenstrahl dienende vordere Scheibe aus Wolfram herzustellen und dünn auszubilden, dahinter jedoch eine oder mehrere dickere Scheiben aus einem Metall anzuordnen, das leichter zu bearbeiten ist und in Scheibenform ohne Schwierigkeiten bedeutend stärker ausgebildet werden kann, als es bei Wolfram möglich ist. Unter Metall ist dabei auch eine Legierung zu verstehen. Besonders geeignet hierfür ist Molybdän, dessen Ausdehnungskoeffizient von dem des Wolframs nur wenig verschieden ist, das gegenüber Wolfram jedoch eine fast doppelt so große spezifische Wärme besitzt, so daß von zwei Anoden, die das gleiche Gewicht haben, die Molybdänanode eine größere Anzahl schnell aufeinanderfolgender Belastungsstöße auszuhalten vermag als die Wolframanode. Molybdän kann außerdem leichter bearbeitet werden als Wolfram und ist ganz erheblich billiger.

Molybdän hat gegenüber Kupfer einen viel höheren Schmelzpunkt und einen niedrigeren Dampfdruck. Der gleiche Dampfdruck, der sich bei Kupfer bereits bei 900⁰ C ergibt, wird bei Molybdän erst bei etwa 2000⁰ C erreicht, d. h. nur 6oo° C unter der Temperatur, bei der Wolfram den gleichen Dampfdruck hat. Die Gefahr des Einbrennens und der Ionenbildung ist deshalb bei einer scheibenförmigen Anode nach der Erfindung, die unter Verwendung von Molybdän hergestellt iao ist, viel geringer als bei einer Anode mit einem Kupferkörper.

Es ist zwar bekannt, in Form einer Schweranode einen Wolframklotz mit einem Molybdänklotz zu umgeben, um eine höhere Wärmekapazität und eine höhere Betriebstemperatur und damit verbesserte

Abstrahlung zu erreichen. Diese Ausführungsform konnte jedoch wegen der Herstellungsschwierigkeiten verwickelter Körper aus Wolfram und Molybdän in die Praxis keinen Eingang finden und war auch deshalb ohne Bedeutung, weil bei Schweranoden leicht eine ausreichende Ableitungskühlung möglich ist. Erst durch die Erfindung konnte das Problem gelost werden, die Wärmekapazität einer Anode zu vergrößern und dabei Strahlungskühlung zu ermöglichen, so daß sich eine leichte und praktisch ohne besondere Schwierigkeiten herstellbare Anordnung ergibt.

Andere bekannte Anordnungen mit zum Teil scheibenförmiger Anode, die aus einer Wolframscheibe und einem dahinter angeordneten Kupferkörper bestehen, konnten ebenfalls keinen Hinweis zur Lösung des vorliegenden Problems geben, weil Kupfer für strahlungsgekühlte Anoden wegen seiner geringen Temperaturfestigkeit nicht geeignet ist und es darauf ankommt, daß wegen der Bearbeitungsschwierigkeiten die Scheiben in sich von gleichmäßiger Stärke sind, was bei bekannten Anordnungen jedoch nicht der Fall war.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung im Schnitt dargestellten Ausführungsbeispiels einer Drehanode näher erläutert.

In der Figur besteht die Anode aus zwei schwach kegeligen Scheiben ι und 2, die am Ende einer Welle 3 befestigt sind. Diese Welle kann in einer Röntgenröhre drehbar angeordnet und auf bekannte Weise durch ein rotierendes Magnetfeld in Umdrehung versetzt werden, so daß sich die Stelle, an der die Anode von den Elektronen 4 getroffen wird, fortwährend ändert.

Die Scheiben 1 und 2 können beide aus Wolfram bestehen, aber für die untere Scheibe 2 kann erfindungsgemäß auch ein anderes Metall mit hohem Schmelzpunkt gewählt werden, das sich leichter als Wolfram bearbeiten läßt. In diesem Fall kann die Scheibe 2 aus Molybdän bestehen und eine größere Stärke haben und mit einer dünnen Wolframschicht ι ausgestattet sein, die die Aufprallfläche für den mit Pfeilen angedeuteten Elektronenstrahl bildet.

Eine Wolframschicht mit einer Stärke von 0,01 mm wäre hinreichend zum Abbremsen von Elektronen mit einer einem Spannungsunterschied von ioo kV entsprechenden Geschwindigkeit. Um das Molybdän zu schützen, wählt man die Schicht ι vorzugsweise etwas stärker, z.B. 0,1 bis 0,3 mm oder mehr. Während einer stoßartigen Belastung kann der Temperaturgradient im Wolfram etwa iooo⁰ je 0,1 mm betragen. Bei einer Stärke von 0,2 mm und einer Belastung, die die Temperatur an der Oberfläche bis zu 2000⁰ C ansteigen läßt, dringt die Wärme also bei sehr kurzen Belastungszeiten noch nicht während der Aufnahme bis in die Scheibe 2 vor. Nach der Belastung verbreitet sich die Wärme, wodurch die Temperatur der Scheibe 2 zunimmt, jedoch in geringerem Maße als bei den bisher üblichen Scheibenanoden vermöge des größeren Volumens, so daß die Anzahl schnell aufeinanderfolgender Belastungen oder die Belastungsdauer größer sein kann, bevor die höchstzulässige Temperatür erreicht wird. Um die Wärmeausstrahlung zu fördern, ist es zweckmäßig, die Oberfläche aufzurauhen oder mattschwarz zu machen.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Scheibenförmige Anode für Röntgenröhren, insbesondere Drehanodenröhren, bei der die Wärmeabfuhr bei hoher Belastung vorwiegend durch Strahlung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe aus zwei oder mehreren gleichmäßig starken Scheiben zusammengesetzt ist, von denen die als Aufprallfläche dienende Scheibe aus Wolfram und die weitere(n) Scheibe(n) aus einem Metall mit einem-Schmelzpunkt höher als 2000⁰ C besteht, vorzugsweise aus Molybdän.

2. Scheibenförmige Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben etwa gleiche Stärke haben.

3. Scheibenförmige Anode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserrichtung in jeder Scheibe von der in der angrenzenden Scheibe verschieden ist.

Angezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 316554, 472661, 596751,603896;

USA.-Patentschrift Nr. 2 030 561;
französische Patentschrift Nr. 527 186 und Zusatzpatentschrift Nr. 29 424.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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