EP0023065A1 - Drehanode für Röntgenröhren - Google Patents

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EP0023065A1
EP0023065A1 EP80200678A EP80200678A EP0023065A1 EP 0023065 A1 EP0023065 A1 EP 0023065A1 EP 80200678 A EP80200678 A EP 80200678A EP 80200678 A EP80200678 A EP 80200678A EP 0023065 A1 EP0023065 A1 EP 0023065A1
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Horst Dr. Dipl.-Phys. Hübner
Bernhard Dr. Dipl.-Phys. Lersmacher
Hans Dr. Dipl.-Ing. Lydtin
Rolf Ing. Grad. Wilden
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
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Philips Patentverwaltung GmbH
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
    • H01J35/108—Substrates for and bonding of emissive target, e.g. composite structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/08—Targets (anodes) and X-ray converters
    • H01J2235/083—Bonding or fixing with the support or substrate
    • H01J2235/084—Target-substrate interlayers or structures, e.g. to control or prevent diffusion or improve adhesion

Definitions

  • the invention relates to a rotating anode for X-ray tubes with a base body made of carbon, an electron collecting layer made of a heavy metal and an intermediate layer consisting of several layers of rhenium, which is arranged between the base body and the electron collecting layer.
  • the basic body of the rotating anode is e.g. made of graphite, in particular electrographite, of pyrolytic graphite or of foamed carbon, such as those e.g. are described in DE-OS 24 53 204 and 26 48 900.
  • the base body can also consist of sub-elements made of these materials, e.g. be composed of electrographite and pyrolytic graphite.
  • the electron collecting layer is also referred to in the literature as an electron impact part (DE-PS 21 15 896), an X-ray active layer or an anti-cathode or baffle electrode layer (DE-OS 27 48 566). It consists e.g. made of tungsten, molybdenum, tantalum or alloys of these metals with each other or with rhenium.
  • a rotary anode is known from AT-PS 281 215, in which an intermediate layer made of rhenium is arranged between the base body made of graphite and the electron collecting layer made of tungsten or a tungsten alloy which contains, for example, osmium or iridium.
  • a diffusion of the graphite into the electron trapping layer is practically completely prevented by this intermediate layer.
  • the desired diffusion inhibition was above of 1500 K for a sufficiently long time can only be achieved with more than 10 ⁇ m thick and therefore expensive intermediate layers made of rhenium.
  • an intermediate layer containing rhenium and molybdenum is arranged between the base body made of graphite and the electron collecting layer made of tungsten or a tungsten alloy.
  • the intermediate layer consists of two layers, the layer in contact with the base body containing a large amount of rhenium, e.g. Contains 70 to 90% by weight of rhenium, based on the total weight of rhenium and molybdenum, while the layer in contact with the electron collecting layer contains a large amount of molybdenum.
  • Intermediate layers containing molybdenum give good adhesion.
  • molybdenum forms with the graphite of the base body at temperatures of or more than 1500 K molybdenum carbide, which has a relatively poor thermal conductivity and also the adhesion between the electron trapping layer, e.g. made of tungsten, on the one hand, and the base body made of graphite, on the other hand, so that, with prolonged exposure to the electron beam, the electron-collecting layer can completely detach from the base body.
  • the electron trapping layer e.g. made of tungsten
  • the invention has for its object to provide a barrier against carbon diffusion below the electron trapping layer, which has almost the heat conduction properties of metals and which also offers sufficient protection against the penetration of carbon into the electron trapping layer at temperatures above 1500 K.
  • the layer of the intermediate layer adjoining the base body and the layer adjoining the electron-collecting layer the intermediate layer consist of pure rhenium and that between these two layers there is a further layer of an alloy of rhenium with at least one carbide-forming metal.
  • the alloy preferably contains 1 to 25 mol% of carbide-forming metals.
  • Carbide-forming metals are e.g. Titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten and some rare earths (US Pat. No. 2,979,813) and NicKel and iron (German Pat. No. 896,234).
  • Rhenium alloys with 1 to 25 mol% tungsten or 1 to 5 mol% tantalum or 1 to 3 mol% hafnium are preferred.
  • the layer of pure rhenium adjoining the base body is preferably 1 to 20 ⁇ m, in particular 5 ⁇ m, thick.
  • the layer consisting of the rehnium alloy is preferably 1 to 30 ⁇ m, in particular 4 ⁇ m, thick.
  • the layer of pure rhenium adjoining the electron collecting layer is preferably 1 to 20 ⁇ m, in particular 2 ⁇ m, thick.
  • the individual layers of the intermediate layer are e.g. produced by deposition from the gas phase.
  • the pure rhenium layers are preferably obtained by reducing rhenium halides with hydrogen.
  • gaseous mixtures of rhenium halides and halides of the desired metal additives are reduced with hydrogen.
  • the multilayer structure according to the invention ensures that at temperatures of the intermediate layer below 1500 K - as occurs in rotating anodes in about 80% of the loading time - the diffusion-inhibiting effect of the layer of pure rhenium adjoining the base body is sufficient. At temperatures above 1500 K - which occur in about 20% of the load times - the hin maldiffundierenden by the aforementioned layer of carbon atoms of the k arbidrelienden metals are collected. Because of the low concentration of K arbidrelienden metals in the group consisting of the alloy layer of the intermediate layer, the carbide hardly adverse Auswir- K has Ungen to the conduction or adhesion. Finally, the rhenium layer adjacent to the electron-collecting layer ensures that the carbon exchange between the carbides in the intermediate layer and the metal, for example tungsten, of the electron-collecting layer is largely prevented.
  • the inventive structure of the intermediate layer acting as a diffusion barrier with outer layers made of pure rhenium also enables the already known good mechanical properties of rhenium intermediate layers to be maintained.
  • the effectiveness of the multilayer rhenium intermediate layer is further improved by the fact that the average diffusion coefficient becomes smaller with the progressive carbide formation in the central part of the barriers, which leads to an increased service life.
  • the base body 1 consists of electrographite.
  • the metal layers 2 to 5 are formed by deposition from the gas phase only applied to the bevelled end face of the base body of the rotating anode.
  • the rhenium layer 2 is 5 ⁇ m thick.
  • the layer 3, which consists of rhenium doped with 5 mol% tantalum, has a thickness of 4 ⁇ m.
  • the layer 4 made of pure rhenium is 2 ⁇ m thick and the electron collecting layer 5 made of tungsten has a thickness of 200 ⁇ m.

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Abstract

Zwischen einem Grundkörper (1) aus Kohlenstoff und einer Elektronenauffangschicht (5) aus einem Schwermetall ist eine aus mehreren Lagen (2, 3, 4) bestehende Zwischenschicht angeordnet. Die an den Grundkörper (1) anschließende Lage (2) der Zwischenschicht und die an die Elektronenauffangschicht anschließende Lage (4) der Zwischenschicht bestehen aus reinem Rhenium. Zwischen diesen beiden Lagen ist eine weitere Lage (3) aus einer Legierung von Rhenium mit mindestens einem karbidbildenden Metall, z.B. Wolfram, Tantal oder Hafnium, angeordnet. Durch diesen Aufbau der Zwischenschicht wird eine Barriere gegen die Kohlenstoffdiffusion geschaffen, die nahezu die Wärmeleitungseigenschaften von Metallen aufweist und die auch bei Temperaturen oberhalb 1500 K einen ausreichenden Schutz gegen das Eindringen von Kohlenstoff in die Elektronen auffangschicht bietet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Drehanode für Röntgenröhren mit einem Grundkörper aus Kohlenstoff, einer EleKtronenauffangschicht aus einem Schwermetall und einer aus mehreren Lagen bestehenden rheniumhaltigen Zwischenschicht, die zwischen dem Grundkörper und der Elektronenauffangschicht angeordnet ist.
  • Der Grundkörper der Drehanode besteht z.B. aus Graphit, insbesondere Elektrographit, aus pyrolytischem Graphit oder aus Schaumkohlenstoffen, wie sie z.B. in den DE-OS 24 53 204 und 26 48 900 beschrieben sind. Der Grundkörper kann auch aus Teilelementen aus diesen Werkstoffen, z.B. aus Elektrographit und pyrolytischem Graphit, zusammengesetzt sein.
  • Die Elektronenauffangschicht wird in der Literatur auch als Elektronen-Auftreffteil (DE-PS 21 15 896), röntgenaktive Schicht oder Antikathoden- bzw. Prallelektrodenschicht (DE-OS 27 48 566) bezeichnet. Sie besteht z.B. aus Wolfram, Molybdän, Tantal oder Legierungen dieser Metalle untereinander oder mit Rhenium.
  • Aus der AT-PS 281 215 ist eine Drehanode bekannt, bei der zwischen dem Grundkörper aus Graphit und der EleKtronenauffangschicht aus Wolfram bzw. einer Wolframlegierung, die z.B. Osmium oder Iridium enthält, eine Zwischenschicht aus Rhenium angeordnet ist. Durch diese Zwischenschicht wird zwar eine Diffusion des Graphits in die Elektronenauffangschicht praktisch vollkommen unterbunden. Bei den Untersuchungen, die zur Erfindung geführt haben, wurde aber festgestellt, daß die erwünschte Diffusionshemmung oberhalb von 1500 K für eine hinreichend lange Zeit nur mit mehr als 10 µm dicken und damit teuren Zwischenschichten aus Rhenium erreicht wird.
  • Bei der aus der DE-OS 27 48 566 bekannten Drehanode ist zwischen dem aus Graphit bestehenden Grundkörper und der aus Wolfram oder einer Wolframlegierung bestehenden Elektronenauffangschicht eine Rhenium und Molybdän enthaltende Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht besteht aus zwei Lagen, wobei die mit dem Grundkörper in Berührung stehende Lage eine große Menge an Rhenium, z.B. 70 bis 90 Gew.% Rhenium, bezogen auf das Gesamtgewicht von Rhenium und Molybdän, enthält, während die mit der EleKtronenauffangschicht in Berührung stehende Schicht eine große Molybdänmenge enthält. Molybdänhaltige Zwischenschichten ergeben zwar eine gute Haftung. Molybdän bildet jedoch mit dem Graphit des GrundKörpers bei Temperaturen von bzw. von mehr als 1500 K MolybdänKarbid, das ein relativ schlechtes Wärmeleitvermögen hat und außerdem die Haftung zwischen der Elektronenauffangschicht, z.B. aus Wolfram, einerseits und dem Grundkörper aus Graphit andererseits beeinträchtigt, so daß es bei längerer Elektronenstrahlbelastung zum völligen Ablösen der Elektronenauffangschicht vom GrundKörper Kommen kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unterhalb der Elektronenauffangschicht eine Barriere gegen die Kohlenstoffdiffusion zu schaffen, die nahezu dieWärmeleitungseigenschaften von Metallen aufweist und die auch bei Temperaturen oberhalb 1500 K einen ausreichenden Schutz gegen das Eindringen von Kohlenstoff in die Elektronenauffangschicht bietet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die an den Grundkörper anschließende Lage der Zwischenschicht und die an die Elektronenauffangschicht anschließende Lage der Zwischenschicht aus reinem Rhenium bestehen und daß zwischen diesen beiden Lagen eine weitere Lage aus einer-Legierung von Rhenium mit mindestens einem karbidbildenden Metall angeordnet ist.
  • Die Legierung enthält vorzugsweise 1 bis 25 Mol % Karbidbildende Metalle.
  • Karbidbildende Metalle sindz.B. Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und einige Seltene Erden (US-PS 29 79 813) sowie NicKel und Eisen (DE-PS 896 234).
  • Bevorzugt werden Rheniumlegierungen mit 1 bis 25 Mol % Wolfram oder 1 bis 5 Mol % Tantal oder 1 bis 3 Mol % Hafnium.
  • Die an den Grundkörper anschließende Lage aus reinem Rhenium ist vorzugsweise 1 bis 20 µm, insbesondere 5 um, dick. Die aus der Rehniumlegierung bestehende Lage ist vorzugsweise 1 bis 30 µm, insbesondere 4 µm, dick. Die an die Elektronenauffangschichtanschließende Lage aus reinem Rhenium ist vorzugsweise 1 bis 20 µm, insbesondere 2 um, dick.
  • Die einzelnen Lagen der Zwischenschicht werden z.B. durch Abscheidung aus der Gasphase hergestellt. Dabei werden die reinen Rheniumschichten vorzugsweise durch Reduktion von Rheniumhalogeniden mit Wasserstoff gewonnen. Bei der Abscheidung der aus einer Rheniumlegierung bestehenden Lage werden gasförmige Gemische von Rheniumhalogeniden und Halogeniden der gewünschten Metallzusätze mit Wasserstoff reduziert.
  • Durch den erfindungsgemäßen mehrlagigen Aufbau wird erreicht, daß bei Temperaturen der Zwischenschicht unterhalb 1500 K - wie sie in Drehanoden in etwa 80 % der Belastungszeit auftreten - die diffusionshemmende Wirkung der an den Grundkörper anschließenden Lage aus reinem Rhenium ausreicht. Bei Temperaturen oberhalb 1500 K - die in etwa 20 % der Belastungszeiten auftreten - werden die durch die zuvor genannte Lage hindurchdiffundierenden Kohlenstoffatome von den karbidbildenden Metallen aufgefangen. Wegen der geringen Konzentration an Karbidbildenden Metallen in der aus der Legierung bestehenden Lage der Zwischenschicht hat die Karbidbildung kaum nachteilige Auswir- Kungen auf die Wärmeleitung oder die Haftung. Schließlich gewährleistet die an die Elektronenauffangschichtangrenzende Lage aus Rhenium, daß der Kohlenstoffaustausch zwischen den Karbiden in der Zwischenschicht und dem Metall, z.B. Wolfram, der Elektronenauffangschicht weitgehend unterbunden wird.
  • Der erfindungsgemäße Aufbau der als Diffusionsbarriere wirkenden Zwischenschicht mit äußeren Lagen aus reinem Rhenium ermöglicht auch die Einhaltung der bereits bekannten, guten mechanischen Eigenschaften von Rhenium-Zwischenschichten. Die Wirksamkeit der mehrlagigen Rhenium-Zwischenschicht wird noch dadurch verbessert, daß der mittlere Diffusionskoeffizient mit fortschreitender Karbidbildung im mittleren Teil der Barrieren kleiner wird, was zu einer erhöhten Lebensdauer führt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1 eine Drehanode im Schnitt
    • Fig. 2 ein schematisches Schnittbild einer Schichtenfolge zur Diffusionshemmung.
  • Der Grundkörper 1 besteht aus Elektrographit. Die Metallschichten 2 bis 5 werden durch Abscheiden aus der Gasphase nur auf die abgeschrägte Stirnfläche des GrundKörpers der Drehanode aufgebracht. Die Rheniumschicht 2 ist 5 um dick. Die Schicht 3, die aus mit 5 Mol % Tantal dotiertem Rhenium besteht, hat eine Dicke von 4 um. Die Schicht 4 aus reinem Rhenium ist 2 um dick und die Elektronenauffangschicht 5 aus Wolfram hat eine Dicke von 200 µm.

Claims (6)

1. Drehanode für Röntgenröhren mit einem Grundkörper (1) aus Kohlenstoff, einer Elektronenauffangschicht (5) aus einem Schwermetall und einer aus mehreren Lagen bestehenden rheniumhaltigen Zwischenschicht, die zwischen dem Grundkörper (1) und der Elektronenauffangschicht (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Grundkörper (1) anschließende Lage (2) der Zwischenschicht und die an die an die Elektronenauffangschicht (5) anschließende Lage (4) der Zwischenschicht aus reinem Rhenium bestehen und daß zwischen diesen beiden Lagen eine weitere Lage (3) aus einer Legierung von Rhenium mit mindestens einem karbidbildenden Metall angeordnet ist.
2. Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung, aus der die weitere Lage (3) besteht, 1 bis 25 Mol% karbidbildende Metalle enthält.
3. Drehanode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung, aus der die weitere Lage (3) besteht, 1 bis 25 Mol% Wolfram oder 1 bis 5 Mol% Tantal oder 1 bis 3 Mol% Hafnium enthält.
4. Drehanode nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Grundkörper (1) anschließende Lage (2) aus reinem Rhenium 1 bis 20 um dick ist.
5. Drehanode nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Rheniumlegierung bestehende Lage (3) 1 bis 30 um dick ist.
6. Drehanode nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Elektronenauffangschicht (5) anschließende Lage (4) aus reinem Rhenium 1 bis 20 um dick ist.
EP80200678A 1979-07-19 1980-07-11 Drehanode für Röntgenröhren Expired EP0023065B1 (de)

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