DE3013441A1

DE3013441A1 - Anodenteller fuer eine drehanoden-roentgenroehre und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3013441A1
Application number: DE19803013441
Authority: DE
Inventors: Klaus Ing.(grad.) 2000 Hamburg Huth
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1980-04-05
Filing date: 1980-04-05
Publication date: 1981-10-08
Also published as: FR2480033A1; GB2073945A; DE3013441C2; JPS56146358U; FR2480033B1; GB2073945B

Description

; ': :-: ::l 3013U1

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH PHD 80-048

Anodenteller für eine Drehanoden-Röntgenröhre und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Anodenteller für eine Drehanoden-Röntgenröhre, der einen im zusammengebauten Zustand der Röntgenröhre mit einer Antriebswelle verbundenen rotationssymmetrischen Schwermetallkörper und einen ringförmigen Graphitkörper umfaßt, der über eine Lotschicht mit dem Schwermetallkörper axial verbunden ist. Mit "axial verbunden" wird dabei eine Verbindung bezeichnet, bei der in Richtung der Rotationsachse der Schwermetallkörper bzw. seine dem Graphitkörper zugewandte Fläche, die Lotschicht und der Graphitkörper bzw. seine dem Schwermetallkörper zugewandte Fläche unmittelbar aufeinander folgen, bei der sich der Schwermetallkörper - bei vertikaler Rotationsachse - also oberhalb (oder unterhalb) des Graphitkörpers befindet.

Ein solcher Anodenteller ist aus der DE-AS 21 17 956, Fig. bekannt. Der Graphitkörper dient dabei der Erhöhung der Wärmekapazität des Anodentellers und der Vergrößerung des thermischen Emissionsvermögens. Da die Antriebswelle mit

dem Schwermetallkörper verbunden ist, hat der Graphitkörper keine tragende Funktion. Gleichwohl ist in der Praxis zu beobachten, daß im Betrieb einer mit einem solchen Anodenteller versehenen Röntgenröhre Teile des Graphitkörpers sich durch Abscheren von dem so gebildeten Anodenteller

lösen, der damit unbrauchbar wird.

Aus der DE-AS 21 17 956 - Fig. 1 - ist darüber hinaus auch ein Anodenteller bekannt, bei dem ein Schwermetallring eine Graphitseheibe umschließt, wobei sich zwischen dem Außen-

rand der Graphitscheibe und der Innenseite des Schwermetall-

130041/0732

^ . PHD 80-048

ringes eine Lotschicht befindet. Nachteilig ist, daß der Graphitkörper hierbei eine tragende Funktion hat, was zu Sprüngen in dem relativ spröden Material führen kann. Außerdem ist das Löten der beiden Teile verhältnismäßig schwierig, weil sich die Lotschicht dabei auf dem Umfang eines Zylindermantels befinden muß.

Weiterhin ist aus der DE-OS 19 07 672 ein Anodenteller bekannt, dessen Grundkörper im wesentlichen aus Graphit besteht, der mit einer dünnen Schicht aus Wolfram bzw. einer Wolframlegierung bedeckt ist, die durch Abscheidung aus der Gasphase bzw. durch elektrolytische Abscheidung aufgebracht wird. An sioh sind derartige Anodenteller den zuvor beschriebenen Anodentellern im Hinblick auf geringes Gewicht, hohes .thermisches Emissionsvermögen und hohe Wärmekapazität überlegen. In der Praxis hat sich aber gezeigt, daß der Wolframüberzug bei thermischer Belastung sehr leicht abblättert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Anodenteller der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Gefahr, daß sich der Graphitkörper bei thermischer Beanspruchung ganz oder teilweise vom Schwermetallkörper löst, verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der . Schwermetallkörper einen dem Graphitkörper zugewandten ringförmigen Rand aufweist, dessen Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Graphitkörpers, daß der ringförmige Rand den Außenrand des Graphitkörpers umschließt, und daß sich die Lotschicht auch zwischen dem ringförmigen Rand und dem Außenrand des Graphitkörpers befindet.

Untersuchungen haben gezeigt, daß ein solcher Anodenteller gegenüber thermischen Beanspruchungen widerstandsfähiger ist

130041/0732

PHD 80-048

als der bekannte Anodenteller der eingangs genannten Art. Dies läßt sich folgendermaßen erklären: Bei dem bekannten Anodenteller sind die durch Lötung miteinander verbundenen Oberflächen des Schwermetallkörpers und des Graphitkörpers eben. Während des Lötens haben beide Körper ungefähr die gleiche Temperatur. Nach dem Lötvorgang kühlen beide Körper ab, wobei der Schwermetallkörper - jedenfalls dann, wenn er aus einem Molybdän-Grundkörper besteht, der mit einer Wolframschicht versehen ist - wegen seines größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten stärker schrumpft als der Graphitkörper. In den der Lotschicht benachbarten Schichten beider Körper treten daher Spannungen auf, die dazu führen können, daß der Graphitkörper oder Teile davon sich durch Abscheren lösen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Anodentellers wird nach dem Löten mit. fortschreitender Abkühlung von dem ringförmigen Rand über die Lotschicht eine zunehmende Druckspannung auf den äußeren Rand des Graphitkörpers ausgeübt. Druckspannungen kann ein Graphitkörper aber in erheblichem Ausmaß aufnehmen, ohne zu zerbrechen - im Gegensatz zu Zugspannungen. Durch diese Druckspannungen, die sich im Betrieb der Röntgenröhre durch Erwärmung des Anodentellers verringern, wird das Abscheren des Anodentellers verhindert.

Der Schwermetallkörper, an dem bei der Erfindung die Antriebswelle befestigt ist, nimmt im Betrieb die von der Antriebswelle übertragenen Kräfte auf, so daß der Graphitkörper hierdurch mechanisch nicht beansprucht wird.

Der Rand des Schwermetallkörpers muß nicht so hoch sein wie der Graphitkörper dick ist. Da die Schwerspannungen beim Abkühlen vor allen Dingen in dem der Lotschicht benachbarten Bereich des Graphitkörpers auftreten, genügt es, wenn nur dieser Bereich von dem Rand umschlossen wird, dessen Höhe

130041/0732

PHD 80-048

also nur einen Bruchteil der Dicke des Graphitkörpers betragen muß.

Der Innendurchmesser des ringförmigen Randes kann einige zehntel Millimeter größer sein als der Außendurchmesser des von ihm umschlossenen Außenrandes des Graphitkörpers. Die mechanischen Druckspannungen werden dann über die Lotschicht auf den Graphitkörper übertragen.

Es ist auch nicht erforderlich, daß die Innenwand des ringförmigen Randes parallel zur Rotationsachse des Anodentellers verläuft. Es kann zweckmäßig sein, daß der Innenrand unter einem Winkel von 30° zur Achse verläuft, weil dann die Kerbspannungen geringer sind.

Ein besonderer Vorteil eines erfindungsgemäßen Anodentellers besteht darin, daß sich der Lötvorgang besonders einfach gestalten läßt. Bei den bisher bekannten Lötverfahren (vgl. z.B. DE-AS 21 15 896) befindet sich der Schwermetallkörper

20beim Lötvorgang oberhalb des Graphitkörpers. Wenn die Lotschicht dabei zu heiß wird, quillt das Lot an einzelnen Stellen aus dem Spalt zwischen den beiden Körpern heraus und benetzt stellenweise nicht nur den Graphitkörper, sondern - aufgrund der Molekularkräfte - auch die Oberseite des Schwermetallkörpers. Diese Lotreste erniedrigen nicht nur die Schmelztemperatur im Brennfleckbahnbereich, sondern setzen wegen der im allgemeinen niedrigeren Ordnungszahl des Lotmaterials auch die Röntgenstrahlenausbeute herab.

j°Nach einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt der Lötvorgang bei einem erfindungsgemäßen Anodenteller dadurch, daß der Graphitkörper unter Zwischenfügung einer Lotscheibe auf den Schwermetallkörper gelegt wird und daß danach ein Lötvorgang erfolgt. Beim Lötvorgang befindet sich also

³⁵der Graphitkörper oberhalb der Schwermetallscheibe.

130041/0732

PHD 80-048

Der ringförmige Rand der Schwermetallscheibe, die beim Löten unten liegt, verhindert ein Herauslaufen des Lotes. Das Lot steigt lediglich in dem zwischen der Innenseite des ringförmigen Randes und dem Außenrand gebildeten Spalt aufgrund der Molekularkräfte hoch und füllt diesen Spalt aus.

Dieser Vorteil ergibt sich allerdings nur, wenn das Lot nicht auf andere Weise, z.B. durch das Zentrum der Schwermetallscheibe, herablaufen kann. Eine Weiterbildung dieses Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Anodentellers sieht vor, daß als Schwermetallkörper ein wannenförmiger Körper ohne zentrale Bohrung verwendet und an den Graphitkörper angelötet wird, und daß nach dem Lötvorgang der Schwermetallkörper und gegebenenfalls der Graphitkörper mit einer zentralen Bohrung versehen wird. Da der Schwermetallkörper somit beim Löten eine Wanne bildet, kann die Lotschicht nicht herablaufen. Erst anschließend wird der Schwermetallkörper mit der zur Aufnahme der Antriebswelle erforderlichen zentralen Bohrung versehen. Der Graphitkörper kann von vornherein mit einer Bohrung versehen sein, durch die die Antriebswelle beim Zusammenbau der Drehanoden-Röntgenröhre hindurchgeführt wird. Sie kann aber auch gleichzeitig mit der Bohrung im Schwermetallkörper hergestellt werden.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Schwermetallkörper einen zentrisch angeordneten Zapfen aufweist, der in den ringförmigen Graphitkörper hineinragt

30und dessen Außendurchmesser nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des ringförmigen Graphitkörpers. Der zentrisch angeordnete Zapfen im Schwermetallkörper einerseits und sein äußerer Rand andererseits bilden hierbei eine ringförmige Wanne,die ebenfalls das Auslaufen der Lotschicht

³⁵verhindert. Zugleich dient der Zapfen der Zentrierung des Graphitkörpers.

130041/0732

PHD 80-048

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Drehanoden-Röntgenröhre, Fig. 2, 3 und 4 verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Anodentellers im Querschnitt.

In Fig. 1 ist mit 1 der Glaskolben einer Drehanoden-Röntgenröhre bezeichnet, der an seinem einen Ende eine Kathodenanordnung 3 und an seinem anderen Ende eine Anodenanordnung 4 trägt. Die Kathodenanordnung umfaßt eine Abschirmeinheit 5, an der der Kathodenkopf 6 befestigt ist, in dem der Heizfaden bzw. die Heizfäden - nicht näher dargestellt angeordnet sind. Die Heizspannungen werden über die Leitungen 15, 16 und 17 zugeführt, die das kathodenseitige

"15 Hochspannungspotential führen.

Die Anodenanordnung 7 enthält einen Rotor, auf dessen Antriebswelle 8 ein Anodenteller 9 befestigt ist. Der Anodenteller 9 umfaßt einen Schwermetallkörper 13, der mit der Antriebswelle 8 verbunden ist. Zu diesem Zweck ist die Antriebswelle an ihrem oberen Ende, mit einem Gewinde versehen, in das die Mutter 11 eingreift, die nach dem Festziehen den Schwermetallkörper 13 gegen das untere, an der Antriebswelle 8 befestigte Widerlager 12 preßt. Der Anodenteller, der in der Zeichnung im Schnitt dargestellt ist, umfaßt außerdem einen Graphitkörper 10, der an die Unterseite des Schwermetallkörpers 13 angelötet ist. Der Graphitkörper 10 hat mit der Antriebswelle 8 oder dem Widerlager 12 keinen unmittelbaren Kontakt. Die anodenseitige Hochspannung wird

30über den Anschlußstutzen 18 zugeführt.

Fig. 2 zeigt eine geeignete Ausführungsform des Anodentellers in nicht maßstäblicher Darstellung. Der Schwermetallkörper 13 besteht aus einem Molybdän-Grundkörper, der zumindest im Bereich der Brennfleckbahn 19 mit einer Schicht

130041/0732

PHD 80-048

aus Wolfram oder einer Wolframlegierung versehen ist. Er kann einen Außendurchmesser von z.B. 120 mm und eine Dicke von 9 mm aufweisen. Der Schwermetallkörper weist an seiner Unterseite eine ebene senkrecht zur Rotations- bzw. Symmetrieachse verlaufende Fläche auf, die außen von einem ringförmigen Rand 22 und innen von einem Zapfen 23 des Schwermetallkörprs 13 begrenzt wird. Wird der Schwermetallkörper um 180° um eine horizontale Achse gedreht, dann ergibt sich somit auf der dann oben liegendenSeite eine ringförmige Wanne, deren Unterseite durch die Fläche 20 gebildet wird und deren Seitenwände außen durch den Rand 22 und innen durch den Zapfen 23 gebildet werden.

Bereits bei einer Höhe von nur 1,5 mm hat sich der äußere iö Rand als im Sinne der Erfindung wirksam erwiesen. Der ringförmige Rand kann aber auch höher sein als 1,5 mm. Der Mittelzapfen 23, der zentrisch zur Rotationsachse 21 angeordnet ist und in dem eine Bohrung 24 zur Aufnahme der Antriebswelle 8 (Fig. 1) vorgesehen ist, sollte die gleiche Höhe haben wie der ringförmige Rand 22.

Ein rotationssymmetrischer Graphitkörper 10 ist mit seiner ebenen Stirnfläche 25 mit der Fläche 20 des Schwermetallkörpers und mit seinen zur Rotationsachse 21 paralüelen inneren und äußeren Mantelflächen mit dem Zapfen 23 bzw. dem ringförmigen Rand 22 durch eine Lotschicht 26 verbunden. Der Graphitkörper kann dabei aus einem durch Druckpressen und Glühen hergestellten sehr feinkörnigen Graphit bestehen, z.B. der Qualität 5890 der Firma Deutsche Carbone AG, der eine Dichte von 1,85 g/cm , eine Biegebruchfestigkeit von 65 N/mm und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (bei 100⁰C) von 4,2 χ 10" /K aufweist. Der Außendurchmesser des Graphitkörpers 10 ist kleiner als der Innendurchmesser des ringförmigen Randes 22, z.B. um 1,2 mm, so daß zwischen

³⁵dem ringförmigen Rand 22 und dem Graphitkörper 10 eine 0,6 mm

130041/0732

PHD 80-048

dicke Lotschicht verbleibt. Der Innendurchmesser des Graphitkörpers 10 ist größer als der Außendurchmesser des Zapfens aber nur geringfügig, z.B. maximal 0,2 mm, so daß der Graphitkörper im noch nicht gelöteten Zustand mit nur geringem seitlichen Spiel auf dem Zapfen 23 sitzt und durch diesen zentriert wird.

Zum Verbinden des Schwermetallkörpers mit dem Graphitkörper 10 wird zunächst der Schwermetallkörper nach unten gebracht (gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Lage also um 180° um eine horizontale Achse gedreht), so daß die ringförmige Wanne, die durch die Fläche 20 und den ringförmigen Rand sowie den Zapfen 23 gebildet wird, sich auf seiner Oberseite befindet. In diese ringförmige Wanne wird eine Lotscheibe aus Zirkon mit einer Dicke von 0,3 mm eingelegt,deren Innendurchmesser größer ist als der Innendurchmesser des Graphitkörpers und deren Außendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser des Graphitkörpers, z.B. um jeweils 4mm. Darauf wird der Graphitkörper 10 gelegt. Diese Anordnung wird anschließend in einem evakuierten Raum erwärmt z.B. durch Hochfrequenzheizung. Bei einer Temperatur von ungefähr 1500⁰C bildet sich, wie aus der DE-AS 21 15 896 bekannt, eine eutektische Schmelze, die zur Verbindung des Schwermetallkörpers mit dem Graphitkörper führt. Bei Hochfrequenzerhitzung (mit 550 kHz) steigt das Lot zunächst in der Fuge zwischen dem äußeren Umfang des Graphitkörpers 10 und dem ringförmigen Rand 22 empor, weil der äußere Bereich, insbesondere der ringförmige Rand, bei der Hochfrequenzerhitzung stärker erhitzt wird als die weiter

30innen liegenden Bereiche. Nach einiger Zeit steigt das Lot aber auch in der Fuge zwischen dem Zapfen 23 und dem Graphitkörper 10 empor, wonach die Energiezufuhr beendet wird und die Lotschmelze erstarrt, wobei ihre Oberfläche in der Fuge zwischen dem Graphitkörper 10 und dem ring-

³⁵förmigen Rand 22 einen Meniskus 27 bildet.

130041/0732

PHD 80-048

Bei diesem Lötvorgang ist ein Herauslaufen des Lotes kaum noch möglich, so daß die damit verbundenen Unwuchten und Verunreinigungen des Schwermetallkörpers weitgehend entfallen. Wird die Erhitzung hierbei etwas zu spät unterbrochen, so 1st dies nicht so schädlich wie bei den bekannten Lötverfahren; allerdings kann sich eine zu lange andauernde Energiezufuhr schädlich auf die Haltbarkeit der Verbindung auswirken, weil dann Carbide entstehen können.

Der Anodenteller nach Fig. 3, bei dem entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 2, unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten Anodenteller dadurch, daß der Schwermetallkörper, der auf seiner

is Oberseite in bekannter Weise abgewinkelt ist (Neigungswinkel mit der Horizontalen etwa 5 bis 20°),überall, außer im Bereich des ringförmigen Randes 22 und des Zapfens 23, gleichmäßig dick ist, so daß die dem Graphitkörper 10 zugewandte Seite 20' nicht mehr eben ist wie bei dem Anodenteller nach Fig. 2, sondern ebenfalls nach außen abgewinkelt ist. Die in der Zeichnung obere Begrenzungsfläche des Graphitkörpers 10 muß dann entsprechend geformt sein. Der Zapfen 23 muß dabei höher sein als der ringförmige Rand, Jedoch liegt auch hierbei seine Stirnfläche ungefähr in einer zur Rotationsachse 21 senkrechten Ebene mit der unteren Stirnfläche des ringförmigen Randes 22. Die Lötung erfolgt ähnlich wie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben.

In Fig. 4 ist ein Anodenteller in einem Zwischenstadium des ³⁰Herstellungsvorganges dargestellt. Der Schwermetallkörper besitzt dabei eine von dem ringförmigen Rand 22 begrenzte, durchgehende ebene Unterseite 20", weist also weder eine Bohrung noch einen Zapfen in seiner Mitte auf. In die durch den ringförmigen Rand 22 und die Fläche 20" gebildete ring-

förmige Wanne, die beim Lötvorgang nach oben geöffnet ist,

300A1/0732

PHD 80-048

wird eine Lotscheibe, vorzugsweise aus Zirkon, eingelegt sowie der zylinderförmige Graphitkörper 10, der gegebenenfalls mit einer zentralen Bohrung versehen sein kann. Nach dem Löten wird in den Schwermetallkörper 13, wie durch gestrichelte Linien angedeutet, eine Bohrung 24' angebracht, die der Verbindung des Anodentellers mit der Antriebswelle dient. Wenn der Graphitkörper 10 nicht bereits eine solche zentrale Bohrung besitzt, geht diese Bohrung auch durch ihn hindurch. Falls die Bohrung durch den Graphitkörper 10 keinen größeren Durchmesser hat als die durch den Schwermetallkörper 13, greift die Antriebswelle im zusammengebauten Zustand zwar auch am Graphitkörper 10 an, jedoch wird dieser dann nur durch Druckkräfte beansprucht, die er ohne weiteres aufnehmen kann.

130041/0732

Leerseite

Claims

PHD 80-048 PATENTANSPRÜCHE:

1. Anodenteller für eine Drehanoden-Röntgenröhre, der einen im zusammengebauten Zustand der Röntgenröhre mit einer Antriebswelle (8) verbundenen rοtationssymmetrischen Schwermetallkörper (13) und einen ringförmigen Graphitkörper (10) umfaßt, der über eine Lotschicht (26) mit dem Schwermetallkörper axial verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwermetallkörper einan dem Graphitkörper (10) zugewandten ringförmigen Rand (22) aufweist, dessen Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Graphitkörpers (10), daß der ringförmige Rand (22) den Außenrand des Graphitkörpers umschließt, und daß sich die Lotschicht (26) auch zwischen dem ringförmigen Rand (22) und dem Außenrand des Graphitkörpers (10) befindet.

2. Anodenteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwermetallkörper (13) einen zentrisch angeordneten Zapfen (23) aufweist, der in den ringförmigen Graphitkörper (10) hineinragt und dessen Außendurchmesser nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des ringförmigen Graphitkörpers.

3· Anodenteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwermetallkörper (13) Molybdän enthält, der auf seiner von der Lotschicht (26) abgewandten Seite mit einer Schicht aus Wolfram oder einer Wolframlegierung versehen ist.

4. Anodenteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotschicht im wesentlichen

aus Zirkon besteht.

130041/0732

PHD 80-048

5. Verfahren zum Herstellen eines Anodentellers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphitkörper (10) unter Zwischenfügung einer Lotscheibe auf den Schwermetallkörper (13) gelegt wird und daß danach ein Lötvorgang erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5 zum Herstellen eines Anoden tellers nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwermetallkörper (13) ein wannenförmiger Körper ohne zentrale Bohrung verwendet und an den Graphitkörper angelötet wird, und daß nach dem Lötvorgang der Schwermetallkörper und gegebenenfalls der Graphitkörper mit einer zentralen Bohrung versehen wird (Fig. 4).

130041/0732