EP2942800A1 - Festanoden-röntgenröhre mit zweiteiliger hochspannungs-vakuumdurchführung - Google Patents

Festanoden-röntgenröhre mit zweiteiliger hochspannungs-vakuumdurchführung Download PDF

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EP2942800A1
EP2942800A1 EP15166319.2A EP15166319A EP2942800A1 EP 2942800 A1 EP2942800 A1 EP 2942800A1 EP 15166319 A EP15166319 A EP 15166319A EP 2942800 A1 EP2942800 A1 EP 2942800A1
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EP
European Patent Office
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insulating body
anode
electron tube
section
vacuum
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Karl Hans
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InCoaTec GmbH
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InCoaTec GmbH
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    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
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    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01J2235/02—Electrical arrangements
    • H01J2235/023—Connecting of signals or tensions to or through the vessel
    • H01J2235/0233—High tension

Definitions

  • Such a vacuum feedthrough is for example from the DE 10 2009 017 924 A1 known.
  • X-ray radiation is used in a variety of ways in instrumental analysis or for the production of image recordings of human and animal patients in medicine.
  • the generation of X-radiation is typically carried out in an X-ray tube by emission of electrons on an electrically heated electron emitter, and acceleration of the electrons in the electric field to a so-called target, is released at the characteristic X-rays; the target material differs depending on the application.
  • the electron emitter is part of a cathode, and the target part of an anode.
  • a high-voltage vacuum feedthrough usually comprises a ceramic body as an electrical insulator with a central opening into which a high-voltage supply and an electrode are inserted in a vacuum-tight manner, cf. to the EP 1 537 594 B1 ,
  • the anode is made of copper and is soldered vacuum-tight in a tubular ceramic insulation body made of aluminum nitride.
  • copper and ceramics such as aluminum nitride have quite different thermal expansion coefficients, so that when soldering or under load (and heating) in operation large mechanical Strains can occur, whereby the solder joint can be leaking; the x-ray tube is then unusable.
  • An anode with a hollow cylindrical section is only suitable for relatively small heat fluxes, that is to say X-ray tubes with comparatively low power; adds that the hollow cylindrical section can be easily deformed during installation and therefore the vacuum-tight soldering is in turn difficult.
  • the relatively complex installation process of an anode in a ceramic insulation body also ensures comparatively long delivery times, if not for each Targettyp manufactured vacuum feedthroughs should be stored. After installing an anode in the insulating body, it is hardly possible in the prior art to change the target at the front end of the anode.
  • a high-voltage vacuum feedthrough of the type mentioned which is characterized that the anode is formed in two parts with a rear portion and a front portion, that the rear part consists of a first metallic material whose thermal expansion coefficient ⁇ ht corresponds to the thermal expansion coefficient ⁇ ker of the ceramic material, that the rear portion is arranged in the cavity of the insulating body and is soldered vacuum-tight in the insulating body, the front section is at least partially made of a second metallic material whose thermal conductivity ⁇ vt is greater than the thermal conductivity ⁇ ht of the first metallic material of the rear section, and that the front portion is attached to the rear portion.
  • the present invention provides for the anode to be formed in two parts in order to be able to better fulfill the practical requirements for this component.
  • a rear portion of the anode is mainly used for attachment in the ceramic insulation body.
  • the first metallic material of the rear portion is chosen so that its coefficient of thermal expansion ⁇ ht corresponds to the coefficient of thermal expansion of the ceramic material of the losations stressess ⁇ ker , so that during soldering and also during operation of the electron tube (in which the anode heats up) no or so low mechanical Tensions occur that the tightness of the soldering between the rear portion and the insulating body is not affected.
  • the rear portion with a very narrow gap (about 50 microns gap width or less) can be soldered into the insulation body, which can be easily vacuum-tight bridged or closed with a solder.
  • the rear portion is usually soldered vacuum-tight in the front half of the insulating body in the cavity.
  • the linear thermal expansion coefficients ⁇ ht and ⁇ ker correspond in particular when ⁇ ht differs from ⁇ ker by a maximum of 50%, preferably by a maximum of 25% (based on ⁇ ker ); Preferably, ⁇ ht is not greater than ⁇ ker .
  • ⁇ ht is about 5-6 * 10 -6 1 / K, more preferably about 5.5 * 10 -6 1 / K in Fernico, and ⁇ ker is about 6.5-8.9 * 10 -6 1 / K, in particular about 7 * 10 -6 1 / K with Al 2 O 3 ceramic.
  • the front part of the anode is mainly used to dissipate heat from the target, ie the area of the anode which is irradiated by electrons.
  • the target is formed in the simplest case of a front end of the front portion, or the target is a coating or a (mostly soldered) essay or use at the front end of the front portion.
  • the front portion consists wholly or partly (except for the target) of the second metallic material whose thermal conductivity ⁇ vt is greater than the thermal conductivity of the first metallic material ⁇ ht ; typically ⁇ vt ⁇ 5 * ⁇ ht , and preferably ⁇ vt ⁇ 10 * ⁇ ht . Due to the relatively high thermal conductivity of the second metallic material, the heat generated at the target can be efficiently dissipated.
  • ⁇ vt is about 300-400 W / (m * K), in particular about 380 W / (m * K) for copper, and ⁇ ht about 10-30 W / (m * K), in particular about 16.7 W / (m * K) at Fernico.
  • the rear section can be independent of the front section, and thus independent of the desired target material, in the insulation body be soldered. If it is established which target material is desired for the electron tube, then a corresponding front section can later be attached to the soldered rear section. For all types of target material, it is sufficient to maintain the same partially installed vacuum feedthrough (with insulation body and soldered rear section). For different target materials, various corresponding front sections (also called anode heads) can be stored.
  • connection of the rear section and the front section can be done in any suitable manner which allows a sufficiently good heat transfer between the front section and the rear section and ensures an electrically good contact; However, preference is not welded or soldered to not affect the strength or tightness of the solder joint between the rear portion and insulation body subsequently.
  • the connection generally provides for continuous, surface contact between the front section and the rear section. For connection in particular plugging / nesting and shrinking has proven. But it is also well, for example, by screwing / lngentschrauben, possibly with locking pin, well possible.
  • the rear section and the front section are inserted into one another.
  • a connector Through a connector, a large contact area can be easily set up.
  • the connector can also be fixed by shrinking, or with a locking pin.
  • An advantageous development of this embodiment provides that rear section front end a receiving portion with a recess in that the front section has a plug-in section at the rear end, and in that the plug-in section is inserted into the receiving section.
  • the heat can pass over a very short distance from the plug portion of the front portion radially through the wall of the receiving portion of the rear portion in the insulating body.
  • shrinking the easy-to-use and less sensitive front section to be frozen deep such as in liquid nitrogen
  • the insulation body together with the rear section to expand the receiving section gently heated (such as in an oven, eg at about 200 ° C).
  • the front portion has a longitudinal bore to the bottom of the recess of the receiving portion and a transverse bore which is connected to the longitudinal bore, and that the transverse bore opens out of the receiving portion. Due to the longitudinal bore and the transverse bore, gas (in particular air) can reliably escape to the outside of the recess of the receiving section when the front and rear sections are inserted one inside the other. Gas inclusions, which can cause poor heat transfer or mechanical stresses during operation, are avoided.
  • the rear portion and the front portion are connected by shrinking.
  • the male part typically the front part
  • the female part typically the rear part
  • the two sections are inserted into each other, with little play, for example, 4/100 mm or less based on the diameter of the Receiving portion.
  • the two sections each block the heat-related geometry change of the other section.
  • the two sections are elastically braced against each other and firmly connected.
  • the inserted section is then under compressive stress, and the female section under tension.
  • the ceramic material of the insulating body is Al 2 O 3
  • the stated weight fractions of the iron-nickel-cobalt alloy correspond to a so-called Fernico alloy.
  • Al 2 O 3 ceramic and Fernico have very good matching coefficients of thermal expansion, with ⁇ (Al 2 O 3 ) of about 7 * 10 -6 1 / K, and ⁇ (Fernico) of about 5.5 * 10 -6 1 / K. This material combination has proven itself well in practice.
  • the second metallic material of which the front section is partially or completely composed is Cu.
  • Copper has a very good thermal conductivity of about 380 W / (m * K), and can therefore very efficiently dissipate heat from the target.
  • the front portion is used directly as a target.
  • the front portion at the front of a coating, an attachment or an insert of molybdenum, tungsten, rhodium, silver, cobalt or chromium is applied or arranged.
  • the coating, the attachment or the insert is used as a target in order to use characteristic X-ray emission lines of the associated material.
  • an attachment to the front portion of the anode soldered; an insert is placed in a recess at the front of the front section, and usually by soldering or encapsulation (such as copper) attached.
  • a coating can be applied by sputtering, for example. Since only the coating, the attachment or the insert consists of the particular target material, the properties of the second metallic material (usually copper) can still be used, such as a high thermal conductivity.
  • the rear portion has a rear end socket portion with a recess for receiving a high voltage connector.
  • a connector for connecting the power line is easy to set up and has proven itself in practice.
  • the insulation body in a front region has a wall thickness WSv which is greater than a wall thickness WSm in a central region, wherein the rear portion extends at least partially in the middle region, in particular where WSm ⁇ 2/3 * WSv, and in particular wherein at least 2/3 of the length of the rear portion extends in the central region.
  • the insulating body has a comparatively poor Wäremleitein.
  • the larger wall thickness in the front part improves the electrical insulation, in particular by a long path along the surface of the insulating body from the anode to a (usually grounded) housing or outdoor area.
  • the insulating body further has a rear portion, at which the wall thickness relative to the central region again is enlarged, so that the insulating body is constructed approximately dumbbell-shaped; this improves the grip of a seated cooling device.
  • a further development of this embodiment in which a cooling device is seated on the insulating body in the middle area, is advantageous.
  • the cooling device By the cooling device, the heat dissipation from the insulation body, in particular in the thinned middle area, can be improved.
  • the cooling device comprises a metallic casing of the insulating body, in particular wherein the metallic casing is made of copper or aluminum.
  • the metallic sheath with a higher thermal conductivity than the material of the insulating body, can carry heat away from the insulating body and spread over the length of the metallic sheath, thereby preventing local overheating in the region of the anode.
  • the metallic sheath is typically in several parts, approximately in two parts, designed to facilitate attachment to the insulating body.
  • the metallic sheath is typically significantly longer than the back section, approximately more than twice as long as the rear section.
  • the metallic sheath may comprise cooling fins and / or be impinged by a cooling air flow.
  • a coolant flow, such as air or water, through the cooling device is possible, but rarely required in practice.
  • the vacuum feedthrough in which the rear section is soldered into the insulation body with an Ag or Au-containing solder, wherein the insulation body has a nickel-plated MoMn coating at least in the soldered area.
  • the metallic rear section can reliably solder vacuum-tight with the ceramic insulation body.
  • the scope of the present invention also includes an electron tube, in particular a solid-state x-ray tube, comprising a vacuum feedthrough according to the invention as described above.
  • the electron tube is very reliable, and a failure due to a leak of the vacuum feedthrough, in particular by heating during operation, is not expected.
  • a preferred variant of the method according to the invention provides that in step c) the fastening of the front section takes place at the rear section by plugging and shrinking. This makes it possible in a simple manner, a high-strength connection of the front and rear portion of the anode without solder or additional connecting means, in particular easily after step b).
  • steps a) and b) are initially carried out for a large number of vacuum feedthroughs, and later the partially manufactured vacuum feedthroughs individually or in groups according to Step c) are provided with front sections, wherein several different types of front sections are used.
  • a supply of semi-finished vacuum feedthroughs can be used for various target materials.
  • the joining of the front and rear sections, such as over plugging and shrinking, is very quickly possible, so that an anode vacuum feed with a specific target material can be provided and delivered at short notice.
  • FIGS. 1 to 3 illustrate the manufacture of a high-voltage vacuum feedthrough according to the invention in various staggered stages.
  • a ceramic insulating body 1 is manufactured or provided, cf. Fig. 1 ,
  • the insulating body 1 is here made of alumina ceramic, for example by slip casting or other known per se molding processes, and then sintering;
  • the Al 2 O 3 ceramic may, if desired or required, contain sintering aids or other additives to optimize the manufacturing process or the quality of the sintered ceramic in a manner known per se.
  • the insulating body 1 has a substantially tubular construction, and has in particular a longitudinal cavity 10 extending in the longitudinal direction (see longitudinal axis LA), similar to a bore.
  • the insulating body 1 is constructed here rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis LA.
  • the cavity 10 has a step 11 which serves as a stop for a from the front (here right) End 12 ago to be introduced, rear portion of an anode is used (see. Fig. 2 ). From a rear (left here) end 13 fro a high voltage line to the anode can be performed (not shown).
  • the insulating body 1 also has in a front region VB over an (average) wall thickness WSv, which is greater than the (average) wall thickness WSm in a central region MB.
  • the (average) wall thickness WSh is again greater than in the middle region MB.
  • Front area VB, middle area MB and rear area HB extend together over the entire axial length of the insulation body 1.
  • a rear portion 2 of an anode is then introduced, see. Fig. 2 , and externally circumferentially soldered to the inner wall of the cavity 10.
  • the insulating body 1 at least in an area adjacent to the right of the stage 11 inside initially provided with a MoMn coating, about CVD method, and be soldered with an Ag or Au-containing solder.
  • the soldering is performed vacuum-tight, which is easily possible with sufficiently narrow gap between the rear portion 2 and the inner wall of the insulating body 1.
  • the rear section 2 is here made of a Fernico alloy whose coefficient of thermal expansion corresponds to the thermal expansion coefficient of the insulating body 1 (both with respect to the radial direction, as well as the axial longitudinal direction).
  • the rear portion 2 has the rear end via a socket portion 14 with a recess 15 for receiving a high voltage plug (the latter not shown in detail).
  • the rear portion 2 has a receiving portion 16 with a recess 17 for receiving a plug-in portion of a front portion of the anode (see Fig. 3 ).
  • the insulating body 1 with soldered rear section 2 of the anode, but without installed front section, is also referred to as a partially manufactured vacuum feedthrough 34.
  • This front section 3 has at the rear a plug-in section 18 which is inserted into the recess 17 of the rear section 2.
  • the front portion 3 is first strongly cooled here, typically to the temperature of liquid nitrogen (about 90 K), in which the front portion 3 is immersed, so that the plug portion 18 contracts radially.
  • the rear portion 2 is heated together with the insulating body 1, such as in an oven at 200 ° C, so that the recess 17 radially expands.
  • the plug-in section 18 can just be introduced into the recess 17.
  • a longitudinal bore 19 and a hitting the longitudinal bore 19 transverse bore 20 are provided. Air can then escape from the base 33 of the recess 17 through the holes 19, 20, if the gap between the side wall 21 of the receiving portion 16 and the outer wall of the plug portion 18 is too narrow for a gas outlet.
  • the front section 3 is made entirely of copper, in order to ensure rapid and efficient heat transport from the region of the target 22 at the front end of the front section 3 of the anode into the insulation body 1 during operation.
  • the heat flow takes place mainly by the front portion 3 to the plug portion 18, through the side wall 21 of the receiving portion 17 of the rear portion 2 and partially by the other rear portion 2, in the insulation body 1 instead.
  • a coating, an attachment or an insert of material other than copper may be provided at the front end of the front section 3 in order to generate X-radiation characteristic of the target 22 in accordance with this other material (cf. Fig. 7 ).
  • the front section 3 protrudes from the front of the insulation body 1.
  • the vacuum feedthrough 23 is intended to be integrated into an electron tube or X-ray tube (cf. Fig. 9 ).
  • the vacuum feedthrough 23 may be provided with a cooling device 4, which here consists of a metallic sheath, preferably made of copper or aluminum.
  • the casing comprises two half-shells 4a, 4b, which are placed around the insulating body 1 and enclose it over a large area over virtually the entire circumference and the entire length of the central region MB.
  • the Half shells 4a, 4b here each rear end a multi-slotted area 4c on.
  • Fig. 5 shows the vacuum duct 23 with installed half-shells 4a, 4b, applied to the insulating body 1, in longitudinal section.
  • the half-shells 4a, 4b are to be reached via short paths, namely by the reduced wall thickness WSm of the insulating body 1 in the middle region MB (compared to the larger wall thickness WSv in the front region VB) from the rear section 2 of the anode for the heat flow emanating from the target 22 ,
  • the rear section 2 extends here in the longitudinal direction to about 9/10 in the central region MB, and the (average) wall thickness WSm in the central region MB is here about 1/2 times the (average) wall thickness WSv in the front region VB.
  • the heat can be distributed and emitted / radiated in the half shells 4a, 4b of the cooling device 4 over its entire length, thereby avoiding local overheating of the anode, in particular the rear section 2, which is connected to a high-voltage connector.
  • the rear section 2 extends axially at least 2/3 in a region of the insulation body 1 in which the local radial wall thickness (see WSm in the middle region MB) of the insulation body 1 is at most 2/3 of the largest Radial wall thickness (see WSv in the front region VB) of the insulating body 1 is.
  • Fig. 6 shows a front portion 3 of an anode for the invention.
  • the section 3 is here completely made of copper.
  • the section is provided with a plug-in section 18, and the target 22 is formed through the front end.
  • the planar surface of the target 22 is slightly oblique to the longitudinal axis LA to provide a useful radiation characteristic (Angular distribution) of the incident by electrons in the copper triggered characteristic X-ray radiation.
  • the front section 3 can be provided at the front end with an insert 24 (shown in phantom) of the other material ("target material”), here tungsten, as the target 22, cf. Fig. 7 ,
  • the insert 24 is arranged on the front portion 3 in a local recess 24 a and fixed (soldered about), usually before the front portion 3 is attached to the rear portion 2.
  • the flat surface of the insert 24 is also inclined with respect to the longitudinal axis LA.
  • the Fig. 8 shows an alternative embodiment of a high voltage vacuum feedthrough 23 according to the invention, in which the ceramic insulating body 1 is formed with substantially uniform wall thickness WS.
  • This design is particularly simple, and can be used well with electron tubes or X-ray tubes with low power or low heat generation at the target 22.
  • FIG. 9 is a schematic longitudinal section of an electron tube 25 (here a solid anode X-ray tube) with a vacuum feedthrough 23 according to the invention as shown Fig. 5 known.
  • an electron tube 25 here a solid anode X-ray tube
  • a vacuum feedthrough 23 according to the invention as shown Fig. 5 known.
  • a vacuum-tight housing 30 is arranged, in which an evacuated space 31 is arranged.
  • a cathode 27 is further arranged with an electron emitter 26, here an electrically heated coil of tungsten wire.
  • From the electron emitter 26 occur in operation by annealing emission electrons, which by a high voltage between the cathode 27 and Anode 28 of typically 5 kV to 30 kV through the evacuated space 31 to the anode 28, more precisely to the target 22 at the front portion 3, are accelerated. There is then - in addition to the bremsstrahlung - characteristic X-rays 29 triggered, which emerge through a Beryllium lender 32 and can be used, such as for instrumental analysis or medical diagnostics.

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Abstract

Festanoden-Röntgenröhre, umfassend eine Hochspannungs-Vakuumdurchführung (23) umfassend - einen Isolationskörper (1) aus keramischem Material, wobei der Isolationskörper (1) einen durchgehenden Hohlraum (10) aufweist, - und eine Anode (28), wobei die Anode (28) mit einem hinteren Ende im Hohlraum (10) des Isolationskörpers (1) angeordnet ist und den Hohlraum (10) vakuumdicht verschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (28) zweiteilig mit einem hinteren Teilstück (2) und einem vorderen Teilstück (3) ausgebildet ist, dass das hintere Teilstück (2) aus einem ersten metallischen Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient ± ht dem Wärmeausdehnungskoeffizienten ± ker des keramischen Materials entspricht, dass das hintere Teilstück (2) im Hohlraum (10) des Isolationskörpers (1) angeordnet und in den Isolationskörper (1) vakuumdicht eingelötet ist, dass das vordere Teilstück (3) zumindest teilweise aus einem zweiten metallischen Material besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit » vt größer ist als die Wärmeleitfähigkeit » ht des ersten metallischen Materials des hinteren Teilstücks (2), und dass das vordere Teilstück (3) am hinteren Teilstück (2) befestigt ist. Die Erfindung stellt eine Festanoden-Röntgenröhre mit einer einfach zu fertigenden Hochspannungs-Vakuumdurchführung bereit, die zuverlässig vakuumdicht ausgebildet werden kann und auch im Betrieb zuverlässig vakuumdicht bleibt, insbesondere wobei die Hochspannungs-Vakuumdurchführung auch auf einfache Weise mit verschiedenen Targetmaterialien ausgerüstet werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Vakuumdurchführung für eine Elektronenröhre, insbesondere für eine Festanoden-Röntgenröhre, umfassend
    • einen Isolationskörper aus keramischem Material, wobei der Isolationskörper einen durchgehenden Hohlraum aufweist,
    • und eine Anode, wobei die Anode mit einem hinteren Ende im Hohlraum des Isolationskörpers angeordnet ist und den Hohlraum vakuumdicht verschließt.
  • Eine solche Vakuumdurchführung ist beispielsweise aus der DE 10 2009 017 924 A1 bekannt geworden.
  • Röntgenstrahlung wird in vielfältiger Weise in der instrumentellen Analytik oder auch zur Fertigung von Bildaufnahmen von menschlichen und tierischen Patienten in der Medizin eingesetzt. Die Erzeugung von Röntgenstrahlung erfolgt typischerweise in einer Röntgenröhre durch Emission von Elektronen an einem elektrisch beheizten Elektronenemitter, und Beschleunigung der Elektronen im elektrischen Feld auf ein so genanntes Target, an dem charakteristische Röntgenstrahlung freigesetzt wird; das Targetmaterial unterscheidet sich je nach Anwendungsfall. Der Elektronenemitter ist Teil einer Kathode, und das Target Teil einer Anode.
  • Um die Elektronen in ausreichendem Maße auf das Target beschleunigen zu können, muss zum einen der Raum zwischen Kathode und Anode evakuiert sein. Zum anderen muss eine Hochspannung (typischerweise einige Kilovolt) zwischen Kathode und Anode angelegt werden. Meist wird die Anode auf Hochspannung gelegt, wofür eine entsprechende vakuumdichte Durchführung benötigt wird. Eine Hochspannungs-Vakuumdurchführung umfasst üblicherweise einen Keramikkörper als elektrischen Isolator mit einer zentralen Öffnung, in die eine Hochspannungszuführung und eine Elektrode vakuumdicht eingesetzt sind, vgl. dazu die EP 1 537 594 B1 .
  • In einer Ausführungsform der DE 10 2009 017 924 A1 ist die Anode aus Kupfer gefertigt und wird in einem rohrförmigen keramischen Isolationskörper aus Aluminiumnitrid vakuumdicht eingelötet.
  • Kupfer und Keramiken wie Aluminiumnitrid verfügen jedoch über recht unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, so dass beim Einlöten oder auch bei Belastung (und Erwärmung) im Betrieb große mechanische Spannungen auftreten können, wodurch die Lötstelle undicht werden kann; die Röntgenröhre wird dann unbrauchbar.
  • In der DE 10 2009 017 924 A1 wird vorgeschlagen, die Anode außenseitlich mit elastischen Krallen auszubilden. Diese können die mechanischen Spannungen elastisch aufnehmen und stellen zudem den Wärmefluss ein. Alternativ wird vorgeschlagen, die Anode in einen weich geglühten, hohlzylindrischen Abschnitt auslaufen zu lassen, an dem nur geringe mechanische Spannungen auftreten.
  • Die Fertigung von elastischen Krallen an der Anode ist sehr aufwändig, und das vakuumdichte Verlöten mit dem keramischen Isolationskörper ist gegenüber einer Anode mit einer glatten Außenwand deutlich schwieriger. Eine Anode mit hohlzylindrischem Abschnitt ist nur für relativ kleine Wärmeflüsse, also Röntgenröhren mit vergleichsweise geringer Leistung, geeignet; hinzu tritt, dass der hohlzylindrische Abschnitt leicht beim Einbau verformt werden kann und daher die vakuumdichte Lötung wiederum erschwert ist.
  • Der relativ aufwändige Einbauprozess einer Anode in einen keramischen Isolationskörper sorgt weiterhin für vergleichsweise lange Lieferzeiten, wenn nicht für jeden Targettyp gefertigte Vakuumdurchführungen bevorratet werden sollen. Nach dem Einbau einer Anode in den Isolationskörper ist es im Stand der Technik kaum mehr möglich, das Target am vorderen Ende der Anode zu ändern.
    • Aufgabe der vorliegenden Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach zu fertigende Hochspannungs-Vakuumdurchführung bereitzustellen, die zuverlässig vakuumdicht ausgebildet werden kann und auch im Betrieb zuverlässig vakuumdicht bleibt, insbesondere wobei die Hochspannungs-Vakuumdurchführung auch auf einfache Weise mit verschiedenen Targetmaterialien ausgerüstet werden kann.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Hochspannungs-Vakuumdurchführung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,
    dass die Anode zweiteilig mit einem hinteren Teilstück und einem vorderen Teilstück ausgebildet ist,
    dass das hintere Teilstück aus einem ersten metallischen Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient αht dem Wärmeausdehnungskoeffizienten αker des keramischen Materials entspricht,
    dass das hintere Teilstück im Hohlraum des Isolationskörpers angeordnet und in den Isolationskörper vakuumdicht eingelötet ist,
    dass das vordere Teilstück zumindest teilweise aus einem zweiten metallischen Material besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit λvt größer ist als die Wärmeleitfähigkeit λht des ersten metallischen Materials des hinteren Teilstücks,
    und dass das vordere Teilstück am hinteren Teilstück befestigt ist.
  • Die vorliegende Erfindung sieht vor, die Anode zweiteilig auszubilden, um die praktischen Anforderungen an dieses Bauteils besser erfüllen zu können.
  • Ein hinteres Teilstück der Anode dient vor allem der Befestigung im keramischen Isolationskörper. Das erste metallische Material des hinteren Teilstücks ist so gewählt, dass dessen Wärmeausdehnungskoeffizient αht dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Materials des losationskörpers α ker entspricht, so dass beim Löten und auch im Betrieb der Elektronenröhre (in welchem sich die Anode erwärmt) keine oder so niedrige mechanischen Spannungen auftreten, dass die Dichtigkeit der Lötung zwischen dem hinteren Teilstück und dem Isolationskörper nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere kann das hintere Teilstück mit einem sehr engem Spalt (etwa 50 µm Spaltbreite oder weniger) in den Isolationskörper eingelötet werden, welcher leicht mit einem Lot vakuumdicht überbrückt bzw. verschlossen werden kann. Das hintere Teilstück wird in der Regel in der vorderen Hälfte des Isolationskörpers in den Hohlraum vakuumdicht eingelötet.
  • Die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten αht und αker entsprechen sich insbesondere dann, wenn sich αht um maximal 50%, bevorzugt um maximal 25%, von αker unterscheidet (bezogen auf αker); bevorzugt ist αht nicht größer als αker. Typischerweise beträgt αht ca. 5-6*10-6 1/K, insbesondere ca. 5,5*10-6 1/K bei Fernico, und αker ca. 6,5-8,9*10-6 1/K, insbesondere ca. 7*10-6 1/K bei Al2O3-Keramik.
  • Das vordere Teilstück der Anode dient vor allem der Wärmeabfuhr vom Target, also dem durch Elektronen bestrahlten Bereich der Anode. Das Target wird im einfachsten Fall von einem vorderen Ende des vorderen Teilstücks gebildet, oder das Target ist eine Beschichtung oder ein (meist aufgelöteter) Aufsatz oder Einsatz am vorderen Ende des vorderen Teilstücks. Das vordere Teilstück besteht ganz oder teilweise (bis auf das Target) aus dem zweiten metallischen Material, dessen Wärmeleitfähigkeit λvt größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des ersten metallischen Materials λht; typischerweise ist λvt ≥ 5*λht, und bevorzugt λvt ≥ 10*λht. Durch die relativ hohe Wärmeleitfähigkeit des zweiten metallischen Materials kann die am Target entstehende Wärme effizient abgeleitet werden.
  • Typischerweise beträgt λvt ca. 300-400 W/(m*K), insbesondere ca. 380 W/(m*K) bei Kupfer, und λht ca. 10-30 W/(m*K), insbesondere ca. 16,7 W/(m*K) bei Fernico.
  • Das hintere Teilstück kann unabhängig vom vorderen Teilstück, und damit unabhängig vom gewünschten Targetmaterial, in den Isolationskörper eingelötet werden. Wenn feststeht, welches Targetmaterial für die Elektronenröhre gewünscht wird, kann dann später ein entsprechendes vorderes Teilstück am eingelöteten hinteren Teilstück befestigt werden. Für alle Targetmaterialtypen genügt es, dieselbe teilmontierte Vakuumdurchführung (mit Isolationskörper und eingelötetem hinteren Teilstück) vorzuhalten. Für verschiedene Targetmaterialien können verschiedene entsprechende vordere Teilstücke (auch Anodenköpfe genannt) bevorratet werden.
  • Die Verbindung von hinterem Teilstück und vorderem Teilstück kann auf jede geeignete Weise erfolgen, die einen ausreichend guten Wärmeübergang zwischen vorderem Teilstück und hinterem Teilstück ermöglicht und einen elektrisch guten Kontakt gewährleistet; bevorzugt wird jedoch nicht geschweißt oder gelötet, um die Festigkeit bzw. Dichtigkeit der Lötverbindung zwischen hinterem Teilstück und Isolationskörper nicht nachträglich zu beeinträchtigen. Die Verbindung sorgt im Allgemeinen für einen ständigen, flächigen Berührungskontakt zwischen vorderem Teilstück und hinterem Teilstück. Zur Verbindung hat sich insbesondere Aufstecken/Ineinanderstecken und Anschrumpfen bewährt. Es ist aber auch zum Beispiel Aufeinanderschrauben/lneinanderschrauben, ggf. mit Sicherungsstift, gut möglich.
    • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumdurchführung sind das hintere Teilstück und das vordere Teilstück ineinander gesteckt. Durch eine Steckverbindung kann eine große Kontaktfläche auf einfache Weise eingerichtet werden. Die Steckverbindung kann zudem durch Anschrumpfen fixiert werden, oder auch mit einem Sicherungsstift.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass hintere Teilstück vorderenends einen Aufnahmeabschnitt mit einer Ausnehmung aufweist, dass das vordere Teilstück hinterenends einen Steckabschnitt aufweist, und dass der Steckabschnitt in den Aufnahmeabschnitt eingesteckt ist. In diesem Fall kann die Wärme über eine sehr kurze Strecke vom Steckabschnitt des vorderen Teilstücks radial durch die Wand des Aufnahmeabschnitts des hinteren Teilstücks in den Isolationskörper übergehen. Zudem kann im Falle eines Anschrumpfens das leicht zu handhabende und wenig empfindliche vordere Teilstück zum Zusammenziehen tiefgekühlt werden (etwa in flüssigem Stickstoff), und der Isolationskörper samt hinterem Teilstück zur Erweiterung des Aufnahmeabschnitts schonend erwärmt werden (etwa in einem Ofen, z.B. bei ca. 200°C).
  • Bevorzugt ist dabei, dass das vordere Teilstück eine Längsbohrung zum Grund der Ausnehmung des Aufnahmeabschnitts sowie eine Querbohrung aufweist, die mit der Längsbohrung verbunden ist, und dass die Querbohrung außerhalb des Aufnahmeabschnitts mündet. Durch die Längsbohrung und die Querbohrung kann Gas (insbesondere Luft) beim Ineinanderstecken von vorderem und hinterem Teilstück zuverlässig nach außerhalb der Ausnehmung des Aufnahmeabschnitts entweichen. Gaseinschlüsse, die einen schlechten Wärmeübergang oder auch mechanische Spannungen im Betrieb verursachen können, werden vermieden.
  • Ganz besonders bevorzugt sind das hintere Teilstück und das vordere Teilstück durch Anschrumpfen miteinander verbunden. Dies ermöglicht eine sehr zuverlässige, mechanisch hochfeste Verbindung von vorderem und hinterem Teilstück ohne Lot oder zusätzliche Befestigungs- oder Sicherungsmittel. Dafür wird das einzusteckende Teilstück (typischerweise das vordere Teilstück) stark abgekühlt, etwa in flüssigem Stickstoff, und/oder das aufnehmende Teilstück (typischerweise das hintere Teilstück) erwärmt (beispielsweise auf 200°C, jedoch ohne die Lötung zum Isolationskörper aufzuweichen). Sodann werden die beiden Teilstücke ineinander gesteckt, wobei nur geringes Spiel besteht, beispielsweise 4/100 mm oder weniger bezogen auf den Durchmesser des Aufnahmeabschnitts. Wenn anschließend das eingesteckte Teilstück sich erwärmt, dehnt es sich aus, und das aufnehmende Teilstück kühlt sich ab und schrumpft; die beiden Teilstücke blockieren schließlich jeweils die wärmebedingte Geometrieänderung des anderen Teilstücks. Dadurch werden die beiden Teilstücke elastisch gegeneinander verspannt und fest miteinander verbunden. Das eingesteckte Teilstück steht im Verbund dann unter Druckspannung, und das aufnehmende Teilstück unter Zugspannung.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das keramische Material des Isolationskörpers Al2O3 ist, und das erste metallische Material des hinteren Teilstücks aus einer Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung besteht, insbesondere mit Gewichtsanteilen von Fe=53-54%, Ni=28-29%, Co=17-18%. Die angegebenen Gewichtsanteile der Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung entsprechen einer sogenannten Fernico-Legierung. Al2O3-Keramik und Fernico haben sehr gut zueinander passende Wärmeausdehnungskoeffizienten, mit α(Al2O3) von ca. 7*10-6 1/K, und α(Fernico) von ca. 5,5*10-6 1/K. Diese Materialkombination hat sich in der Praxis gut bewährt.
  • Besonders bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der das zweite metallische Material, aus dem das vordere Teilstück teilweise oder vollständig besteht, Cu ist. Kupfer besitzt eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit von ca. 380 W/(m*K), und kann daher sehr effizient Wärme vom Target abführen. Bei vollständiger Fertigung aus Cu wird das vordere Teilstück unmittelbar als Target verwendet.
  • Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der am vorderen Teilstück vorderenends eine Beschichtung,ein Aufsatz oder ein Einsatz aus Molybdän, Wolfram, Rhodium, Silber, Cobalt oder Chrom aufgebracht oder angeordnet ist. Die Beschichtung, der Aufsatz oder der Einsatz wird als Target verwendet, um charakteristische Röntgenemissionslinien des zugehörigen Materials nutzen zu können. Typischerweise wird ein Aufsatz auf das vordere Teilstück der Anode aufgelötet; ein Einsatz wird in eine Vertiefung vorne am vorderen Teilstück eingebracht, und in der Regel durch Einlöten oder Umgießen (etwa mit Kupfer) befestigt. Eine Beschichtung kann beispielsweise durch Sputtern aufgebracht werden. Da nur die Beschichtung, der Aufsatz oder der Einsatz aus dem besonderen Targetmaterial besteht, können die Eigenschaften des zweiten metallischen Materials (meist Kupfer) nach wie vor genutzt werden, etwa eine hohe Wärmeleitfähigkeit.
  • Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der das hintere Teilstück hinterenends einen Buchsenabschnitt mit einer Ausnehmung zur Aufnahme eines Hochspannungssteckers aufweist. Eine Steckverbindung für den Anschluss der Hochspannungsleitung ist einfach einzurichten und hat sich in der Praxis bewährt.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Isolationskörper in einem vorderen Bereich eine Wandstärke WSv aufweist, die größer ist als eine Wandstärke WSm in einem mittleren Bereich, wobei sich das hintere Teilstück zumindest teilweise im mittleren Bereich erstreckt,
    insbesondere wobei WSm ≤ 2/3*WSv,
    und insbesondere wobei sich wenigstens 2/3 der Länge des hinteren Teilstücks im mittleren Bereich erstreckt. Der Isolationskörper verfügt über eine vergleichsweise schlechte Wäremleitfähigkeit. Durch Ausdünnen im mittleren Bereich kann dann die Wärmeableitung von der Anode verbessert werden, insbesondere zu einer aufsitzenden Kühlvorrichtung, zumal die Wärmeleitung im hinteren Teilstück der Anode zumeist relativ schlecht ist. Der Hochspannungs-Anschluss wird dann besser geschützt. Die größere Wandstärke im vorderen Teil verbessert die elektrische Isolation, insbesondere durch einen langen Weg entlang der Oberfläche des Isolationskörpers von der Anode zu einem (in der Regel geerdeten) Gehäuse oder Außenbereich. Typischerweise verfügt der Isolationskörper weiterhin über einen hinteren Bereich, an welchem die Wandstärke gegenüber dem mittleren Bereich wieder vergrößert ist, so dass der Isolationskörper näherungsweise hantelförmig aufgebaut ist; dies verbessert den Halt einer aufsitzenden Kühlvorrichtung.
  • Vorteilhaft ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der eine Kühlvorrichtung im mittleren Bereich außen auf dem Isolationskörper aufsitzt. Durch die Kühlvorrichtung kann die Wärmeableitung aus dem Isolationskörper, insbesondere im ausgedünnten mittleren Bereich, verbessert werden.
  • Bevorzugt ist es hierbei, wenn die Kühlvorrichtung eine metallische Ummantelung des Isolationskörpers umfasst, insbesondere wobei die metallische Ummantelung aus Kupfer oder Aluminium gefertigt ist. Die metallische Ummantelung kann mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als das Material des Isolationskörpers Wärme vom Isolationskörper weg transportieren und über die Länge der metallischen Ummantelung verteilen, und dadurch lokale Überhitzungen im Bereich der Anode verhindern. Die metallische Ummantelung ist typischerweise mehrteilig, etwa zweiteilig, ausgebildet, um die Anbringung am Isolationskörper zu erleichtern. Die metallische Ummantelung ist typischerweise deutlich länger als das hintere Teilstück, etwa mehr als doppelt so lang wie das hintere Teilstück. Die metallische Ummantelung kann Kühlrippen umfassen und/oder von einem kühlenden Luftstrom angeströmt werden. Ein Kühlmittelstrom, etwa Luft oder Wasser, durch die Kühlvorrichtung ist möglich, in der Praxis aber nur selten erforderlich.
  • Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vakuumdurchführung, bei der das hintere Teilstück mit einem Ag- oder Au-haltigen Lot in den Isolationskörper eingelötet ist, wobei der Isolationskörper zumindest in dem verlöteten Bereich eine vernickelte MoMn-Beschichtung aufweist. Auf diese Weise lässt sich das metallische hintere Teilstück zuverlässig vakuumdicht mit dem keramischen Isolationskörper einlöten.
  • In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Elektronenröhre, insbesondere Festanoden-Röntgenröhre, umfassend eine erfindungsgemäße, oben beschriebene Vakuumdurchführung. Die Elektronenröhre ist sehr zuverlässig, und ein Ausfall aufgrund einer Undichtigkeit der Vakuumdurchführung, insbesondere durch Erwärmung im Betrieb, ist nicht zu erwarten.
    • Verfahren zur Fertigung einer erfindungsgemäßen Vakuumdurchführung
  • Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ein Verfahren zur Fertigung einer erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Vakuumdurchführung, mit folgenden Schritten:
    1. a) Fertigung des Isolationskörpers,
    2. b) Einsetzen des hinteren Teilstücks der Anode in den Hohlraum des Isolationskörpers und vakuumdichtes Einlöten des hinteren Teilstücks in den Isolationskörper;
    3. c) Befestigen des vorderen Teilstücks der Anode am hinteren Teilstück. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen kann sehr zuverlässig die Dichtigkeit der Vakuumdurchführung gewährleistet werden. Das Herstellungsverfahren ist zudem sehr flexibel bezüglich des Targetmaterials am vorderen Teilstück.
  • Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in Schritt c) das Befestigen des vorderen Teilstücks am hinteren Teilstück durch Aufstecken und Anschrumpfen erfolgt. Dadurch wird auf einfache Weise eine hochfeste Verbindung von vorderem und hinterem Teilstück der Anode ohne Lot oder zusätzliche Verbindungsmittel ermöglicht, insbesondere problemlos zeitlich nach Schritt b).
  • Vorteilhaft ist zudem eine Variante, bei der zunächst für eine Vielzahl von Vakuumdurchführungen die Schritte a) und b) durchgeführt werden, und später die teilgefertigten Vakuumdurchführungen einzeln oder in Gruppen gemäß Schritt c) mit vorderen Teilstücken versehen werden, wobei mehrere verschiedene Typen von vorderen Teilstücken verwendet werden. Durch dieses Vorgehen kann ein Vorrat an teilgefertigten Vakuumdurchführungen für verschiede Targetmaterialien genutzt werden. Das Verbinden von vorderem und hinterem Teilstück, etwa über Aufstecken und Schrumpfen, ist sehr schnell möglich, so dass eine Vakuumdurchführung mit Anode mit einem bestimmten Targetmaterial kurzfristig bereitgestellt und geliefert werden kann.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen schematischen Längsschnitt durch einen keramischen Isolationskörper, in Hantelform, für eine Hochspannungs-Vakuumdurchführung gemäß der Erfindung;
    Fig. 2
    einen schematischen Längsschnitt durch eine teilgefertigte Hochspannungs-Vakuumdurchführung gemäß der Erfindung; mit einem Isolationskörper in Hantelform gemäß Fig. 1;
    Fig. 3
    einen schematischen Längsschnitt durch eine Hochspannungs-Vakuumdurchführung gemäß der Erfindung, mit einem Isolationskörper in Hantelform und einem hinteren Teilstück einer Anode gemäß Fig. 2;
    Fig. 4
    eine schematische Außenansicht der erfindungsgemäßen Hochspannungs-Vakuumdurchführung von Fig. 3, mit noch nicht aufsitzender Kühlvorrichtung;
    Fig. 5
    die Hochspannungs-Vakuumdurchführung von Fig. 4 im Längsschnitt, mit aufsitzender Kühlvorrichtung;
    Fig. 6
    eine schematische Außenansicht eines vorderen Teilstücks einer Anode für eine erfindungsgemäße Hochspannungs-Vakuumdurchführung, vollständig aus Kupfer gefertigt;
    Fig. 7
    eine schematische Außenansicht eines vorderen Teilstücks einer Anode für eine erfindungsgemäße Hochspannungs-Vakuumdurchführung, mit einem Einsatz aus Wolfram am vorderen Ende;
    Fig. 8
    einen schematischen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Hochspannungs-Vakuumdurchführung, mit einem keramischen Isolationskörper von im Wesentlichen einheitlicher Wandstärke;
    Fig. 9
    einen schematischen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Elektronenröhre, mit einer erfindungsgemäßen Hochspannungs-Vakuumdurchführung gemäß Fig. 5.
  • Die Figuren 1 bis 3 illustrieren die Fertigung einer erfindungsgemäßen Hochspannungs-Vakuumdurchführung in verschiedenen, zeitlich nacheinander liegenden Stadien.
  • Zunächst wird ein keramischer Isolationskörper 1 hergestellt bzw. bereitgestellt, vgl. Fig. 1 . Der Isolationskörper 1 ist hier aus Aluminiumoxid-Keramik gefertigt, beispielsweise durch Schlickerguss oder andere an sich bekannte Formgebungsverfahren, und anschließendes Sintern; die Al2O3-Keramik kann, falls gewünscht oder erforderlich, Sinterhilfsmittel oder andere Zusätze zur Optimierung des Herstellungsprozesses oder der Qualität der gesinterten Keramik in an sich bekannter Weise enthalten.
  • Der Isolationskörper 1 ist im Wesentlichen rohrförmig aufgebaut, und verfügt insbesondere über einen in Längsrichtung (vgl. Längsachse LA) verlaufenden, durchgehenden Hohlraum 10, ähnlich einer Bohrung. Der Isolationskörper 1 ist hier rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse LA aufgebaut. Der Hohlraum 10 verfügt über eine Stufe 11, die als Anschlag für ein vom vorderen (hier rechten) Ende 12 her einzuführendes, hinteres Teilstück einer Anode dient (vgl. Fig. 2). Von einem hinteren (hier linken) Ende 13 her kann eine Hochspannungsleitung zur Anode geführt werden (nicht dargestellt).
  • Der Isolationskörper 1 verfügt zudem in einem vorderen Bereich VB über eine (durchschnittliche) Wandstärke WSv, die größer ist als die (durchschnittliche) Wandstärke WSm in einem mittleren Bereich MB. Zudem ist in einem hinteren Bereich HB die (durchschnittliche) Wandstärke WSh wiederum größer als im mittleren Bereich MB. Dadurch erhält der Isolationskörper ein hantelartiges Aussehen. Vorderer Bereich VB, mittlerer Bereich MB und hinterer Bereich HB erstrecken sich zusammen über die gesamte axiale Länge des Isolationskörpers 1.
  • In den Isolationskörper 1 bzw. dessen Hohlraum 10 wird sodann ein hinteres Teilstück 2 einer Anode eingeführt, vgl. Fig. 2 , und außenseitlich umlaufend mit der Innenwand des Hohlraums 10 verlötet. Zu diesem Zweck kann der Isolationskörper 1 zumindest in einem rechts an die Stufe 11 angrenzenden Bereich innen zunächst mit einer MoMn-Beschichtung versehen werden, etwa über CVD-Verfahren, und mit einem Ag- oder Au-haltigen Lot verlötet werden. Die Lötung wird vakuumdicht ausgeführt, was bei ausreichend engem Spalt zwischen dem hinteren Teilstück 2 und der Innenwand des Isolationskörpers 1 problemlos möglich ist. Das hintere Teilstück 2 ist hier aus einer Fernico-Legierung gefertigt, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Isolationskörpers 1 entspricht (sowohl bezüglich der radialen Richtung, als auch der axialen Längsrichtung).
  • Durch das hintere Teilstück 2 und die Lötung wird der Hohlraum 10 nahe dem vorderen Ende 12 vakuumdicht verschlossen, d.h. ein Gasaustausch zwischen dem vorderen Ende 12 und dem hinteren Ende 13 durch den Hohlraum 10 ist nicht mehr möglich.
  • Das hintere Teilstück 2 verfügt hinterenends über einen Buchsenabschnitt 14 mit einer Ausnehmung 15 zur Aufnahme eines Hochspannungssteckers (letzterer nicht näher dargestellt). Vorderenends verfügt das hintere Teilstück 2 über einen Aufnahmeabschnitt 16 mit einer Ausnehmung 17 zur Aufnahme eines Steckabschnitts eines vorderen Teilstücks der Anode (siehe dazu Fig. 3).
  • Der Isolationskörper 1 mit eingelötetem hinteren Teilstück 2 der Anode, jedoch ohne installiertes vorderes Teilstück, wird auch als teilgefertigte Vakuumdurchführung 34 bezeichnet.
  • Sodann erfolgt die Anbringung eines vorderen Teilstücks 3 der Anode, vgl. die Fig. 3 , um die Vakuumdurchführung 23 zu vervollständigen. Dieses vordere Teilstück 3 verfügt hinterenends über einen Steckabschnitt 18, der in die Ausnehmung 17 des hinteren Teilstücks 2 eingeführt wird.
  • Dazu wird hier das vordere Teilstück 3 zunächst stark abgekühlt, typischerweise auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (ca. 90 K), in den das vordere Teilstück 3 eingetaucht wird, so dass der Steckabschnitt 18 sich radial zusammenzieht. Zusätzlich wird das hintere Teilstück 2 zusammen mit dem Isolationskörper 1 erwärmt, etwa in einem Ofen auf 200 °C, so dass sich die Ausnehmung 17 radial erweitert. Bei diesen Temperaturverhältnissen kann der Steckabschnitt 18 gerade noch in die Ausnehmung 17 eingeführt werden. Sobald sich die Temperaturverhältnisse normalisieren, also das vordere und das hintere Teilstück 3, 2 auf der gleichen Temperatur sind, hat sich die Ausnehmung 17 radial so weit zusammengezogen und der Steckabschnitt 18 radial so weit ausgedehnt, dass das vordere und hintere Teilstück 3, 2 radial miteinander verspannt sind und nicht mehr voneinander abgezogen werden können.
  • Um Lufteinschlüsse zwischen der Ausnehmung 17 und dem Steckeinsatz 18, insbesondere am Grund 33 der Ausnehmung 17, beim Zusammenstecken zu vermeiden, sind im vorderen Teilstück 3 eine Längsbohrung 19 und eine auf die Längsbohrung 19 treffende Querbohrung 20 vorgesehen. Luft kann dann vom Grund 33 der Ausnehmung 17 durch die Bohrungen 19, 20 entweichen, falls der Spalt zwischen der Seitenwand 21 des Aufnahmeabschnitts 16 und der Außenwand des Steckabschnitts 18 für einen Gasaustritt zu schmal ist.
  • Das vordere Teilstück 3 ist hier vollständig aus Kupfer gefertigt, um im Betrieb einen raschen und effizienten Wärmetransport vom Bereich des Targets 22 am vorderen Ende des vorderen Teilstücks 3 der Anode in den Isolationskörper 1 zu gewährleisten. Der Wärmefluss findet dabei vor allem durch das vordere Teilstück 3 bis in den Steckabschnitt 18, durch die Seitenwand 21 des Aufnahmeabschnitts 17 des hinteren Teilstücks 2 und teilweise auch durch das weitere hintere Teilstück 2, in den Isolationskörper 1 statt.
  • Falls gewünscht, kann am vorderen Ende des vorderen Teilstücks 3 eine Beschichtung, ein Aufsatz oder ein Einsatz aus anderem Material als Kupfer vorgesehen sein, um entsprechend diesem anderen Material am Target 22 charakteristische Röntgenstrahlung zu erzeugen (vgl. dazu Fig. 7).
  • Das vordere Teilstück 3 ragt vorderenends aus dem Isolationskörper 1 heraus. Die Vakuumdurchführung 23 wird bestimmungsgemäß in eine Elektronenröhre bzw. Röntgenröhre integriert (vgl. dazu Fig. 9).
  • Wie aus Fig. 4 ersichtlich, kann die Vakuumdurchführung 23 mit einer Kühlvorrichtung 4 versehen werden, die hier aus einer metallischen Ummantelung, bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium, besteht. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Ummantelung zwei Halbschalen 4a, 4b, die um den Isolationskörper 1 gelegt werden und diesen großflächig über praktisch den gesamten Umfang und die gesamte Länge des mittleren Bereichs MB umschließen. Um temperaturbedingte Längenänderungen bei ausreichend geringen mechanischen Spannungen ausgleichen zu können, weisen die Halbschalen 4a, 4b hier jeweils hinterenends einen mehrfach geschlitzten Bereich 4c auf.
  • Fig. 5 zeigt die Vakuumdurchführung 23 mit installierten Halbschalen 4a, 4b, angelegt am Isolationskörper 1, im Längsschnitt. Die Halbschalen 4a, 4b sind über kurze Wege, nämlich durch die verringerte Wandstärke WSm des Isolationskörpers 1 im mittleren Bereich MB (verglichen mit der größeren Wandstärke WSv im vorderen Bereich VB) vom hinteren Teilstück 2 der Anode für den vom Target 22 ausgehenden Wärmestrom zu erreichen.
  • Das hintere Teilstück 2 erstreckt sich hier in Längsrichtung zu etwa 9/10 im mittleren Bereich MB, und die (durchschnittliche) Wandstärke WSm im mittleren Bereich MB beträgt hier ca. 1/2 mal die (durchschnittliche) Wandstärke WSv im vorderen Bereich VB. Die Wärme kann sich in den Halbschalen 4a, 4b der Kühlvorrichtung 4 über deren gesamte Länge verteilen und abgegeben/ abgestrahlt werden, wodurch lokale Überhitzungen der Anode, insbesondere des hinteren Teilstücks 2, das mit einem Hochspannungsstecker verbunden wird, vermieden werden.
  • Im Allgemeinen ist es bevorzugt, wenn sich das hintere Teilstück 2 axial zu wenigstens 2/3 in einem Bereich des Isolationskörpers 1 erstreckt, in dem die lokale radiale Wandstärke (vgl. WSm im mittleren Bereich MB) des Isolationskörpers 1 maximal 2/3 der größten radialen Wandstärke (vgl. WSv im vorderen Bereich VB) des Isolationskörpers 1 ist.
  • Fig. 6 zeigt ein vorderes Teilstück 3 einer Anode für die Erfindung. Das Teilstück 3 ist hier vollständig aus Kupfer gefertigt. Hinterenends ist das Teilstück mit einem Steckabschnitt 18 versehen, und durch das vordere Ende ist das Target 22 ausgebildet. Die ebene Oberfläche des Targets 22 steht leicht schräg zur Längsachse LA, um eine nützliche Abstrahlcharakteristik (Winkelverteilung) der durch auftreffende Elektronen im Kupfer ausgelösten charakteristischen Röntgenstrahlung zu erreichen.
  • Wenn die charakteristische Röntgenstrahlung eines anderen Materials als Kupfer gewünscht wird, kann das vordere Teilstück 3 vorderenends mit einem Einsatz 24 (gestrichelt dargestellt) aus dem anderen Material ("Targetmaterial"), hier aus Wolfram, als Target 22 versehen werden, vgl. Fig. 7 . Der Einsatz 24 wird am vorderen Teilstück 3 in einer dortigen Vertiefung 24a angeordnet und befestigt (etwa eingelötet), üblicher Weise bevor das vordere Teilstück 3 am hinteren Teilstück 2 befestigt wird. Die ebene Oberfläche des Einsatzes 24 ist ebenfalls geneigt gegenüber der Längsachse LA.
  • Die Fig. 8 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hochspannungs-Vakuumdurchführung 23, bei der der keramische Isolationskörper 1 mit im Wesentlichen einheitlicher Wandstärke WS ausgebildet ist. Diese Bauform ist besonderes einfach, und kann bei Elektronenröhren bzw. Röntgenröhren mit geringer Leistung bzw. geringer Wärmeentwicklung am Target 22 gut eingesetzt werden.
  • In der Fig. 9 ist im schematischen Längsschnitt eine Elektronenröhre 25 (hier eine Festanoden-Röntgenröhre) mit einer erfindungsgemäßen Vakuumdurchführung 23 wie aus Fig. 5 bekannt gezeigt.
  • Um das vordere Teilstück 3 der Anode 28 herum und angrenzend an den Isolationskörper 1 ist ein vakuumdichtes Gehäuse 30 angeordnet, in welchem ein evakuierter Raum 31 eingerichtet ist. In dem Gehäuse 30 ist weiterhin eine Kathode 27 mit einem Elektronenemitter 26, hier einem elektrisch beheizten Wendel aus Wolframdraht, angeordnet.
  • Aus dem Elektronenemitter 26 treten im Betrieb durch Glühemission Elektronen aus, die durch eine Hochspannung zwischen Kathode 27 und Anode 28 von typischerweise 5 kV bis 30 kV durch den evakuierten Raum 31 auf die Anode 28, genauer auf das Target 22 am vorderen Teilstück 3, beschleunigt werden. Dort wird dann - zusätzlich zur Bremsstrahlung - charakteristische Röntgenstrahlung 29 ausgelöst, die durch ein Berylliumfenster 32 austreten und genutzt werden kann, etwa für die instrumentelle Analytik oder die medizinische Diagnostik.
  • Selbst wenn die Lötung zwischen dem metallischen, hinteren Teilstück 2 der Anode 28 und dem keramischen Isolationskörper 1 im Betrieb heiß werden sollte, treten an der Lötung keine ausdehnungsbedingten mechanischen Spannungen auf, weil die thermischen Ausdehungskoeffizienten αht und αker des hinteren Teilstücks 2 aus Fernico und des keramischen Materials Al2O3 des Isolationskörpers 1 näherungsweise gleich sind. Gleichzeitig wird Wärme vom Target 22 effizient durch das Kupfermaterial des vorderen Teilstücks 2 gut nach hinten (in Fig. 9 nach links) abgeführt.

Claims (17)

  1. Elektronenröhre (25), nämlich Festanoden-Röntgenröhre, umfassend eine Hochspannungs-Vakuumdurchführung (23) umfassend
    - einen Isolationskörper (1) aus keramischem Material, wobei der Isolationskörper (1) einen durchgehenden Hohlraum (10) aufweist,
    - und eine Anode (28), wobei die Anode (28) mit einem hinteren Ende im Hohlraum (10) des Isolationskörpers (1) angeordnet ist und den Hohlraum (10) vakuumdicht verschließt,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Anode (28) zweiteilig mit einem hinteren Teilstück (2) und einem vorderen Teilstück (3) ausgebildet ist,
    dass das hintere Teilstück (2) aus einem ersten metallischen Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient αht dem Wärmeausdehnungskoeffizienten αker des keramischen Materials entspricht,
    dass das hintere Teilstück (2) im Hohlraum (10) des Isolationskörpers (1) angeordnet und in den Isolationskörper (1) vakuumdicht eingelötet ist, dass das vordere Teilstück (3) zumindest teilweise aus einem zweiten metallischen Material besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit λvt größer ist als die Wärmeleitfähigkeit λht des ersten metallischen Materials des hinteren Teilstücks (2),
    und dass das vordere Teilstück (3) am hinteren Teilstück (2) befestigt ist.
  2. Elektronenröhre (25) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Teilstück (2) und das vordere Teilstück (3) ineinander gesteckt sind.
  3. Elektronenröhre (25) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass hintere Teilstück (2) vorderenends einen Aufnahmeabschnitt (16) mit einer Ausnehmung (17) aufweist,
    dass das vordere Teilstück (3) hinterenends einen Steckabschnitt (18) aufweist, und dass der Steckabschnitt (18) in den Aufnahmeabschnitt (16) eingesteckt ist.
  4. Elektronenröhre (25) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Teilstück (3) eine Längsbohrung (19) zum Grund (33) der Ausnehmung (17) des Aufnahmeabschnitts (16) sowie eine Querbohrung (20) aufweist, die mit der Längsbohrung (19) verbunden ist, und dass die Querbohrung (20) außerhalb des Aufnahmeabschnitts (16) mündet.
  5. Elektronenröhre (25) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Teilstück (2) und das vordere Teilstück (3) durch Anschrumpfen miteinander verbunden sind.
  6. Elektronenröhre (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material des Isolationskörpers (1) Al2O3 ist, und das erste metallische Material des hinteren Teilstücks (2) aus einer Eisen-Nickel-Cobalt-Legierung besteht, insbesondere mit Gewichtsanteilen von Fe=53-54%, Ni=28-29%, Co=17-18%.
  7. Elektronenröhre (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das zweite metallische Material, aus dem das vordere Teilstück (3) teilweise oder vollständig besteht, Cu ist.
  8. Elektronenröhre (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass am vorderen Teilstück (3) vorderenends eine Beschichtung, ein Aufsatz oder ein Einsatz (24) aus Molybdän, Wolfram, Rhodium, Silber, Cobalt oder Chrom aufgebracht oder angeordnet ist.
  9. Elektronenröhre (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Teilstück (2) hinterenends einen Buchsenabschnitt (14) mit einer Ausnehmung (15) zur Aufnahme eines Hochspannungssteckers aufweist.
  10. Elektronenröhre (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (1) in einem vorderen Bereich (VB) eine Wandstärke WSv aufweist, die größer ist als eine Wandstärke WSm in einem mittleren Bereich (MB), wobei sich das hintere Teilstück (2) zumindest teilweise im mittleren Bereich (MB) erstreckt.
  11. Elektronenröhre (25) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass WSm ≤ 2/3*WSv, und dass sich wenigstens 2/3 der Länge des hinteren Teilstücks (2) im mittleren Bereich (MB) erstreckt.
  12. Elektronenröhre (25) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung (4) im mittleren Bereich (MB) außen auf dem Isolationskörper (1) aufsitzt.
  13. Elektronenröhre (25) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (4) eine metallische Ummantelung des Isolationskörpers (1) umfasst.
  14. Elektronenröhre (25) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass hintere Teilstück (2) mit einem Ag- oder Au-haltigen Lot in den Isolationskörper (1) eingelötet ist, wobei der Isolationskörper (1) zumindest in dem verlöteten Bereich eine vernickelte MoMn-Beschichtung aufweist.
  15. Verfahren zur Fertigung einer Vakuumdurchführung (23) einer Elektronenröhre (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit folgenden Schritten:
    a) Fertigung des Isolationskörpers (1),
    b) Einsetzen des hinteren Teilstücks (2) der Anode (28) in den Hohlraum (10) des Isolationskörpers (1) und vakuumdichtes Einlöten des hinteren Teilstücks (2) in den Isolationskörper (1);
    c) Befestigen des vorderen Teilstücks (3) der Anode (28) am hinteren Teilstück (2).
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das Befestigen des vorderen Teilstücks (3) am hinteren Teilstück (2) durch Aufstecken und Anschrumpfen erfolgt.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst für eine Vielzahl von Vakuumdurchführungen (23) die Schritte a) und b) durchgeführt werden, und später die teilgefertigten Vakuumdurchführungen (34) einzeln oder in Gruppen gemäß Schritt c) mit vorderen Teilstücken (3) versehen werden, wobei mehrere verschiedene Typen von vorderen Teilstücken (3) verwendet werden.
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