DE3751638T2

DE3751638T2 - Target zur Erzeugung von Röntgenstrahlen

Info

Publication number: DE3751638T2
Application number: DE3751638T
Authority: DE
Inventors: Thomas J Koller; Steven Tavoletti
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1986-01-09
Filing date: 1987-01-09
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2007-01-10
Also published as: EP0229697B1; EP0653773B1; DE3752113T2; EP0229697A3; DE3751638D1; US4736400A; EP0653773A1; JPS62168317A; JPH0785407B2; DE3752113D1; EP0229697A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine im Betrieb rotierende Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen, mit einem Targetelement zum Erzeugen von Röntgenstrahlen, einer Einrichtung zum Tragen des Targetelements, und mit Einrichtungen zum Befestigen des Targetelements an dieser Trageinrichtung.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Befestigen des Targetelements an dieser Trageinrichtung.
Wie dem Fachmann bekannt ist, haben Röntgenröhren einen weiten Bereich für ihre Anwendungen und ihres konstruktiven Aufbaus. Bei einem Typ einer Röntgenröhre wird ein hochenergetischer Elektronenstrahl von einer Heizfaden- Kathode emittiert und auf einer Röntgenstrahlen-Emissionszone einer Anode gebündelt. Die Röntgenstrahlenemissionszone umfaßt ein Material, z.B. eine Wolfram-/Rhenium-Legierung, das als Reaktion auf den Einfall eines solchen gebündelten Elektronenstrahls darauf Röntgenstrahlen emittiert. Aus diesem Grund wird die Anode im allgemeinen als Target bezeichnet. Der Einfall des hochenergetischen Elektronenstrahls auf dem Target erzeugt in dem Target eine große Wärmemenge, die für die Targetstruktur und damit für die Funktion der Röntgenröhre schädlich ist. In herkömmlichen Röntgenröhren umfaßt deshalb das Target bzw. die Anode ein Element, z.B. eine Scheibe, die auf einer Tragwelle gelagert ist und von einem Motor rotiert wird. Die Scheibe und die Tragwelle bestehen typischerweise aus einer Metalllegierung mit hohem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Titan/Zirkon/Molybdän (TZM). Der Elektronenstrahl wird in einer Brennzone gebündelt, die ein ringförmiger Abschnitt auf der Scheibenoberfläche ist, die das röntgenstrahlenemittierende Wolfram-/Rheniummaterial umfaßt. Der Motor rotiert die Targetscheibe mit hohen Drehzahlen, z.B. 10.000 U/min, wodurch Abschnitte der Brennzone aus dem und in den Pfad des gebündelten Elektronenstrahls gedreht werden. Der Elektronenstrahl trifft deshalb immer nur auf einen Abschnitt der röntgenstrahlenemittierenden Brennzone auf, so daß der Rest der Brennzone während der Zeit, die er bis zur erneuten Rotation in den Pfad des gebündelten Röntgenstrahls benötigt, abkühlen kann.
In herkömmlichen Röntgenröhren umfaßt die Tragwelle ein angeflanschtes - Tragelement mit einem aus diesem herausragenden Gewindeschaft. Der Schaft paßt durch eine Öffnung in der Mitte der Targetscheibe, wobei die Scheibe in Eingriff mit einer Oberfläche des angeflanschten Tragelements steht. Die TZM- Targetscheibe ist an der TZM-Aufnahmewelle befestigt, indem die Scheibe mit einer auf den Schaft aufgeschraubten TZM-Mutter gegen das angeflanschte Tragelement geklemmt wird. Die Targetscheibe wird dann auf der Welle dynamisch gewuchtet, z.B. indem Gewichte auf der Unterseite der Scheibe versetzt oder geringe Material mengen aus der Unterseite der Scheibe entfernt werden. Während die obenbeschriebene Befestigungsanordnung in einigen Anwendungsfällen einwandfrei funktioniert, ist in anderen Anwendungsfällen ein Durchrutschen der Targetscheibe auf der Tragwelle aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe festgestellt worden, so daß die Scheibe auf der Welle eine Unwucht erfährt. Die mit einer Unwucht behaftete Targetscheibe vibriert bzw. schwingt folglich während der Rotation, wobei derartige Schwingungen häufig so ausgeprägt sind, daß die Röntgenröhre dadurch zerstört wird.
In einer anderen herkömmlichen Röntgenröhre verfügt der Schaft der Tragwelle nicht über ein Gewinde und besteht aus einem anderen Material als TZM, z.B. Niob (auch als Columbium bezeichnet). Während der Herstellung werden Schaft und Targetscheibe erhitzt, wobei sich das Target durch Diffusion mit dem Schaft und somit mit der Tragwelle verbindet. Obwohl ein derartiges Befestigungsverfahren für einige Anwendungen einwandfrei geeignet ist, ist ein aus einem Material wie Niob bestehender Schaft schwächer als ein Schaft aus einer hitzebeständigen Metallegierung, wie TZM, insbesondere bei den während des Betriebs einer Röntgenröhre auftretenden hohen Temperaturen. Deshalb ist bei derart hohen Temperaturen die Diffusionsverbindung zwischen dem Schaft und der Targetscheibe relativ schwach, was häufig in dem obenbeschriebenen Durchrutschen des Targets auf der Tragwelle und der damit einhergehenden Unwucht und Schwingung des Targets resultiert. Außerdem sei darauf verwiesen, daß die auf die Diffusionsverbindung zwischen Schaft und der Targetscheibe einwirkende Beanspruchung eine Zug- oder Druckbeanspruchung ist, wobei es sich hierbei um die für eine Diffusionsverbindung schädlichste mechanische Beanspruchung handelt. Außerdem erweitert sich die Größe der Öffnung in der Targetscheibe, in der der Niobschaft sitzt, im Laufe der Verwendung geringfügig. Eine solche Erweiterung übt eine zusätzliche Beanspruchung auf die Diffusionsverbindung zwischen dem Niobschaft und der Targetscheibe aus.
Die US-A-4 276 493 beschreibt eine Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen, in der eine zu rotierende Graphit-Targetscheibe in ihrer Vorder- und Rückseite mit einer zylindrischen Senkung und einer kleineren zentralen Bohrung ausgeführt ist, die die Senkungen koaxial verbindet, so daß sie vordere und hintere Schultern definieren. Eine aus Wolfram oder aus Wolfram mit 10% Rhenium oder aus reinem Molybdän bestehende Scheibe wird unter Verwendung von 0,01 cm dickem Hartlötblech an der nach vorne weisenden Schulter durch Hartlöten angebracht. Die Scheibe hat eine nicht kreisförmige Öffnung, die die Form eines Schlitzes annehmen kann. Ein Rotorschaft aus TZM zur Kopplung des Rotationsantriebs mit der Targetscheibe hat ein Gewindeende mit einem nicht kreisförmigem Querschnitt, das gerade durch die Öffnung in der Scheibe paßt. Oberhalb der Scheibe wird eine Mutter auf dieses Gewindeende geschraubt. Der Rotorschaft hat eine Schulter, die an der nach hinten weisenden Schulter der Targetscheibe anliegt, und die Mutter wird festgezogen, um den zentralen Bereich der Targetscheibe und die Scheibe zwischen der Mutter und der Schulter des Rotorschafts zusammenzuspannen. Das Gewindeende des Rotorschaftes hat ein Spiel von ca. 0,003 cm in der Scheibe, so daß diese als Keilnut und das Gewindeende des Rotorschaftes als Mitnehmernut fungieren. Während des Hartlötens der Scheibe an der Graphit-Targetscheibe wird auf die Scheibe ein Druck ausgeübt. Die gesamte Masse wird fünf bis zehn Minuten lang etwa auf der Schmelztemperatur des Hartlötblechs gehalten. Nach dem Hartlöten der Scheibe auf dem Target wird eine Brennzone auf der Graphit-Targetscheibe aufgebracht. Während des Hartlötens werden Maßnahmen getroffen, um sicherzustellen, daß die Scheibe nach dem Schmelzen des Hartlötblechs eben auf der Targetscheibe bleibt.
Die JP-A-57-95051 beschreibt ein Verfahren zur Befestigung eines rotierenden Targets an einer Welle eines Rotationsantriebs, bei dem eine Sicherungsmutter auf das Ende der Welle geschraubt wird, um ein scheibenartiges Target gegen eine Schulter der Welle zu klemmen. Ein sinterfähiges Pulver, wie z.B. Zirkonpulver, wird zur Beschichtung der Oberflächen des Targets verwendet, die mit der Wellenschulter und der Mutter in Berührung kommen. Nachdem das Target auf der Welle montiert und die Mutter festgezogen ist, wird die so gebildete Anordnung in ein Vakuum gebracht und das Pulver 10 Minuten lang bei 1200ºC gesintert. Das gesinterte Zirkonpulver bildet eine Verbindung zwischen dem Target einerseits und der Wellenschulter und der Mutter andererseits. Andere empfohlene Sinterwerkstoff sind Titanpulver und ein Gemisch aus Zikon, Titan und Molybdän. Eine solche Sinterverbindung kann auch zwischen den gegenüberliegenden zylindrischen Oberflächen des Target und der Welle hergestellt werden. Das Target besteht aus Graphit, Molybdän oder Wolfram, und seine Oberfläche ist dort mit Wolfram beschichtet, wo der Elektronenstrahl auftreffen soll.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen der hier eingangs beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung ein Hartlötmaterial umfaßt, das auf einer Trennfläche zwischen einer ersten Oberfläche des Targetelements und einer ersten Oberfläche der Trageinrichtung aufgebracht wird und im wesentlichen vollständig in das Targetelement und die Trageinrichtung eindiffundiert, wobei die ersten Oberflächen an der dazwischenliegenden Trennfläche miteinander in Berührung sind. Bei einer solchen Anordnung wird das Targetelement im wesentlichen daran gehindert, auf dem Tragelement während der Rotation der Röntgenstrahlenanordnung durchzurutschen, womit verhindert wird, daß das Targetelement auf dem Tragelement eine Unwucht erfährt, so daß eine Schwingung des Targeelements während der Rotation im wesentlichen ausgeschlossen ist.
Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zum Befestigen eines Targetelements zum Erzeugen von Röntgenstrahlen auf einem Tragelement bereit, das folgende Schritte umfaßt:
Aufbringen eines Hartlötmaterials auf einer Trennfläche zwischen einer ersten Oberfläche der Trageinrichtung und einer ersten Oberfläche des Targetelements, wobei das Hartlötmaterial eine niedrigere Schmelztemperatur als das Targetelement und das Tragelement hat; und
Eindiffundieren des Hartlötmaterials in beide ersten Oberflächen bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Hartlötmaterials, wobei der Schritt des Eindiffundierens folgende Schritte umfaßt:
Zusammenpressen des Targetelements und des Tragelements an der Trennfläche zwischen ihren ersten Oberflächen; und
Erhitzen des Targetelements, so daß sich das Targetelement gegen das Hartlötmaterial an der Trennfläche ausdehnt.
Mit einem solchen Verfahren wird das Targetelement strukturell bzw. unlösbar mit dem Tragelement verbunden, wodurch eine einzige Verbundstruktur gebildet wird. Das Targetelement wird somit im wesentlichen daran gehindert, auf dem Tragelement während der Rotation des Targetelements zur Erzeugung von Röntgenstrahlen durchzurutschen. Das Hartlötmaterial kann Legierungen aus Palladium, Nickel oder Kobalt umfassen. Das Targetelement und das Aufnahmelement können ein hitzebeständiges Metall oder eine Legierung davon, z.B. Titan/Zirkon/Molybdän (TZM) umfassen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verbindung eines Targetelements zur Erzeugung von Röntgenstrahlen auf einer Queraufnahmefläche einer Ausnahmewelle bereitgestellt, das folgende Schritte umfaßt: Auftragen eines Hartlötmaterials auf der Aufnahmefläche; Plazieren des Targetelements auf dem Hartlötmaterial und der Aufnahmefläche; und Eindiffundieren des Hartlötmaterials in die Aufnahmefläche und das Targetelement, indem das Targetelement gegen das Hartlötmaterial und die Aufnahmefläche pressend befestigt wird und Erhitzen des Targetelements, so daß sich das Targetelement gegen das Hartlötmaterial und die Aufnahmefläche ausdehnt. Da die Diffusionsverbindung zwischen quer auf der Tragwelle angeordneten Oberflächen (und somit quer zur Rotationsachse des Targetelements) hergestellt wird, handelt es sich bei der auf eine solche Diffusionsverbindung wirkenden Belastung um eine Scher- bzw. Schubbelastung, die für die Diffusionsverbindung weniger schädlich ist als eine Zug- oder Druckbelastung.
Die obigen Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie ihre Vorteile werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine Teilschnittansicht und ein Schaltschema einer Röntgenstrahlenvorrichtung mit der der vorliegenden Erfindung entsprechenden Targetanordnung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist; und
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht der Targetanordnung zur Erzeugung von Röntgenstrahlen gemäß Fig. 1.
Nunmehr sei auf die Fig. 1 verwiesen, die eine Vorrichtung 10 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, einschl. einer Röntgenröhre 12, die elektrisch wie dargestellt mit einer einstellbaren Heizfadenkathoden-Versorgungseinheit 14 und einer einstellbaren Vorspannungseinheit 16 sowie einer einstellbaren Hochspannungs- Versorgungseinheit 18 verbunden ist. Die Röntgenröhre 12 umfaßt eine Kathodenanordnung 20 und eine erfindungsgemäße rotierbare Target- bzw. Anodenanordnung 22 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, die im folgenden detailliert beschrieben wird. An dieser Stelle sei nur so viel gesagt, daß die rotierbare Targetanordnung 22 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen ein Targetelement 24, hier eine Anodenelektrode 26 enthaltend, und ein Tragelement 28 mit einer Aufnahmefläche 30, die quer zu einer Rotationsachse 32 der Targetanordnung 22 angeordnet ist, umfaßt, wobei das Targetelement 24 auf der Aufnahmefläche 30 angeordnet ist. Das Targetelement 24 ist auf dem Tragelement 28 durch eine Befestigungseinrichtung gesichert, die ein Hartlötmaterial 36 (siehe Fig. 2), das zwischen dem Targetelement 24 und der Aufnahmefläche 30 aufgebracht ist, umfaßt, wobei ein erster Abschnitt des Hartlötmaterials 36 in das Targetelement 24 eindiffundiert wird und ein zweiter Abschnitt des Hartlötmaterials 36 unter Verwendung des Verbingsverfahrens der vorliegenden Erfindung in das Aufnahmelement 28 eindiffundiert wird, und ein solches Verbindungsverfahren bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Hartlötmaterials ausgeführt wird, was eine Dampfabscheidung des Hartlötmaterials auf der Innenfläche eines Röntgenröhrenkolbens 38 verhindert. Ein derartiges Verfahren wird nachstehend detailliert beschrieben. Bei einer solchen Anordnung wird das Targetelement 24 im wesentlichen daran gehindert, während der Rotation der Targetanordnung 22 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen auf dem Aufnahmeelement 28 durchzurutschen, womit verhindert ist, daß das Targetelement 24 auf dem Tragelement 28 eine Unwucht erfährt, und eine Schwingung des Targetelements 24 während der Betriebs der Röntgenvorrichtung 10 im wesentlichen ausgeschlossen ist.
Die Röntgenröhre 12 umfaßt den im allgemeinen röhrenförmigen Kolben 38, der aus einem dielektrischen Material, z.B. bleifreiem Glas, bestehen kann. Ein Ende des Kolbens 38 ist mit einem zurückgeführten Abschnitt 40 ausgeführt, der am Umfang mit einem Ende eines Metallbundes 42 verschlossen ist. Das andere Ende des Bundes 42 ist auf eine hinreichend bekannte Weise hermetisch dicht mit einem Ende eines herkömmlichen Anodenrotors 44 verbunden, der aus einem elektrisch leitenden Material, z.B. Kupfer, besteht. Eine Welle 46 des Rotors 44 ragt aus dem Kolben 38 nach außen und stellt Anschlußeinrichtungen zur elektrischen Verbindung des Rotors 44 mit einem positiven Anschluß der einstellbaren Hochspannungs-Versorgungseinheit 18 bereit.
Im Inneren des Kolbens 38 umfaßt das Tragelement 28 einen elektrisch leitenden Schaftabschnitt 48 aus einem hitzebeständigen Material, z.B. einer Legierung aus Titan/Zirkon/Molybdän (TZM), wobei sich der Schaft 48 in Längsrichtung aus dem inneren Ende des Rotors 44 erstreckt und mit diesem elektrisch verbunden ist. Das Tragelement 28 enthält außerdem eine Mutter 54, die hier ebenfalls aus einem hitzebeständigen Metall, z.B. TZM, besteht. Das Tragelement 28 umfaßt außerdem einen Flanschabschnitt 50, der hier aus TZM besteht und an dem dem Rotor 44 gegenüberliegenden Ende des Schaftes 48 integral angeformt ist. Der Flanschabschnitt 50 endet an der Aufnahmefläche 30. Auf dem Tragelement 28 ist das Targetetement 24, das die Anodenscheibe 26 umfaßt, fest gegen die Flanschaufnahmeoberfläche 30 pressend gehaltert. Die Anodenscheibe 26 ist senkrecht zur Rotationsachse 32 angeordnet und wird durch den Rotor 44 auf ein hinreichend bekannte Weise rotiert. Das innere Ende der Anodenscheibe 26 hat eine kegelstumpfförmige Konfiguration, um eine geneigte ringförmige Targetoberfläche oder eine Brennzone 52 neben ihrem Außenumfang bereitzustellen. Die Brennzone 52 besteht aus einem Material, z.B. Wolfram oder einer Wolfram-Rheniumlegierung, das bei einem Beschuß mit darauf auftreffenden hochenergetischen Elektronen aus der Heizfaden-Kathodenanordnung 20 über einen Pfad 21 leicht Röntgenstrahlen emittiert. Andere Abschnitt der Anodenscheibe 26 bestehen hier jedoch zu dem bereits erörtertem Zweck aus einem geeigneten, elektrisch leitenden, hitzebeständigen Material, z.B. TZM. Die TZM-Mutter 54 steht in Eingriff mit einem Gewindeendeabschnitt (siehe Fig. 2) des TZM-Schaftes 48 und liegt auf der Oberfläche der TZM-Anodenscheibe 26 an.
Obwohl die Anodenscheibe 26 rotierbar ist, befindet sich ein Abschnitt der Brennzone 52 ständig im Abstand zur Kathodenanordnung 20 und in einer dieser gegenüberliegenden Position und ist in Richtung eines radial ausgerichteten für Röntgenstrahlen durchlässigen Fensters 56 im Kolben 38 geneigt. Die Kathodenanordnung 20 ist fest auf einem geeignet abgewinkelten Endabschnitt eines Hohlarmes 58 gehaltert, dessen gegenüberliegender Endabschnitt hermetisch dicht an einem Ende eines axial angeordneten Aufnahmezylinders 60 befestigt ist. Das andere Ende des Aufnahmezylinders 60 ist am Umfang mit einem zurückgeführten Abschnitt 62 des Kolbens 38 verschlossen, aus dem in hermetisch abgedichteter Weise die elektrischen Anschlußleiterelemente 64, 66 bzw. 68 herausgeführt sind.
Die Anschlußleiterelemente 64, 68 sind elektrisch mit den entsprechenden Ausgangsanschlüssen der Vorspannungseinheit 16 und der Heizfadenkathoden- Versorgungseinheit 14 verbunden. Ein anderer Ausgangsanschluß der Vorspannungseinheit 16 ist elektrisch mit dem Anschlußleiterelement 66 sowie mit einem Ausgangsanschluß der Heizfadenkathoden-Versorgungseinheit 14 und dem negativen Ausgangsanschluß der Hochspannungs-Versorgungseinheit 18 für verbunden. Im Inneren des Kolbens 38 verlaufen die Anschlußleiterelemente 64, 66 und 68 durch den Hohlarm 58 in die Kathodenanordnung 20. Die Leiter 66, 68 liefern ein Wechselstromsignal, das die hohe negative Ausgangsspannung (z.B. -60 kVDC gegenüber Masse) der Hochspannungs-Versorgungseinheit 18 über die Enden eines Kathoden-Heizfadens 70 in der Kathodenanordnung 20 überlagert. Der Heizfaden 70 wird durch dieses Wechselstromsignal erhitzt und reagiert mit einer Emission von Elektronen. Die Hochspannungs-Versorgungseinheit 18 liefert außerdem eine hohe positive Spannung gegenüber Masse (z.B. +60 kVDC) an die Welle 46. Dieses positive Potential wird über die elektrisch leitende Welle 46, den Rotor 44 und den Schaft 48 mit der Anodenscheibe 26 gekoppelt. Damit liegt zwischen der Anodenscheibe 26 und der Heizfadenkathode 70 eine hohe Potentialdifferenz (z.B. 120 kVDC) vor, die die vom Heizfaden 70 emittierten Elektronen in Richtung der Anodenscheibe 26 zieht. Der Heizfaden 70 ist isoliert in einem elektrisch leitenden Gehäuse der Kathodenanordnung 20 eingesetzt. Der Leiter 64 koppelt eine geeignete Gleichapannung, z.B. gegenüber dem am Leiter 66 anliegenden Signal von -60 kVDC, um dieses Gehäuse in einer hinreichend bekannten Weise "vorzuspannen", um die vom Heizfaden 70 emittierten Elektronen in einem Elektronenstrahl entlang dem Pfad 21 zu bündeln, wobei dieser Strahl auf der Brennzone 52 der Anodenscheibe 26 auftrifft, die als Reaktion auf einen derartigen Elektronenbeschuß Röntgenstrahlen durch das Fenster 56 emittiert.
Während des Betriebs rotiert der Rotor 44, bei dem es sich um die Rotorkomponente eines Induktionsmotors (nicht dargestellt) handelt, das Targetelement 24 mit einer vorgegebenen Drehzahl, z.B. 10.000 U/min, um die Rotationsachse 32. Dadurch trifft der gebündelte Elektronenstrahl ständig auf verschiedene Abschnitte der ringförmigen Brennzone 52, während sich diese um die Achse 32 dreht, so daß diejenigen Bereiche der Brennzone 52, die von dem hochenergetischen Elektronenstrahl beschossen worden sind, Zeit zum Abkühlen haben, bevor der Elektronenstrahl erneut auf ihnen auftrifft. Ohne eine derartige Rotation würde der Elektronenstrahl die Wolfram-Rhenium-Brennzone 52 rasch durchbrennen, was zu einer Beendigung der Röntgenstrahlenemission aus der Röhre 12 führen würde.Aufgrund der hohen Rotationsgeschwindigkeit der Targetanordnung 22 muß eine solche Anordnung präzise gewuchtet sein, um Schwingungen zu verhindern, die zusätzlich zu einer Veränderung der Bereiche der Brennzone 52, auf die der Elektronenstrahl auftrifft führt, was eine Destabilisierung der Röntgenstrahlenemission aus der Röhre 12 bewirkt, die bei starken Schwingungen die Röntgenröhre 12 zerstören würde. Die Targetanordnung 24 wird deshalb auf dem Schaft 48 des Tragelements 28 befestigt, und kleine Materialmengen werden beispielsweise durch Schleifen entfernt, bis die Anordnung 22 bei Rotation gewuchtet ist. Rutscht jedoch das Targetelement 24 später durch, d.h. ändert es seine Position auf dem Tragelement 28, so erfährt die Targetanordnung 22 eine Unwucht und wird während der Rotation in Schwingung geraten. Dies geschieht häufig in dem Stand der Technik entsprechenden Röntgenröhren, in denen das Targetelement auf dem Schaft nur unter Verwendung einer Mutter, z.B. der Mutter 54, gesichert ist.
Nunmehr sei auf die Fig. 2 verwiesen, anhand derer die vorliegende Erfindung, die ein Verfahren zur Befestigung des Targetelements 24 auf dem Tragelement 28, um das obenbeschriebene Durchrutschen auszuschließen, sowie eine Targetanordnung 22 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, die sich eines solchen Verfahrens bedient, umfaßt, beschrieben werden. Die Fig. 2 ist eine Schnittansicht des Targetelements 24 und des Tragelements 28, die der Übersichtlichkeit wegen vergrößert dargestellt sind. Das Tragelement 28, hier aus TZM bestehend, umfaßt den Schaft 48 mit dem angeformten Flanschabschnitt 50. Der Flanschabschnitt 50 enthält die im wesentlichen ringförmige Aufnahmefläche 30, auf der das Targetelement 24 gehaltert ist, wie beschrieben wird. Ein Halsabschnitt 51 des Tragelementschaftes 48 erstreckt sich über den Flansch 50 hinaus und endet in einem Gewindeabschnitt 53. Das Tragelement 28 ist damit für die Aufnahme und Halterung des Targetelements 24 ausgeführt, welches hier die aus TZM bestehende Anodenscheibe 26 mit einer darin ausgeführten zentralen Bohrung 27 umfaßt. Der Halsabschnitt 51 ist so gewählt, daß er einen etwas kleineren Durchmesser hat als die zentrale Bohrung 27. Die Anodenscheibe 26 sitzt über dem Schaftendabschnitt 53 und mit Paßsitz um den Hals 51, so daß ihre Unterseite 29 auf der Aufnahmefläche 30 aufliegt.
Bevor die Anodenscheibe 26 auf dem Tragelement 28 plaziert wird, wird eine Schicht Hartlötmaterial 36, hier in Form eines Rings oder einer Scheibe, auf der Aufnahmefläche 30 angeordnet. Das Hartlötmaterial umfaßt ein Metall mit relativ niedriger Schmelztemperatur, z.B. eine Legierung aus Palladium und Kobalt, Pd-Co, (Schmelztemperatur ca. 1230ºC). Es sei darauf hingewiesen, daß die Schmelztemperatur des TZM mit ca. 2600ºC relativ hoch ist. Die Anodenscheibe 26 wird auf das Tragelement 28 gesetzt und durch einen Preßsitz zwischen dem Hals 51 und der zentralen Bohrung 27 um die Rotationsachse 32 zentriert. Der Gewindeabschnitt 53 des Tragelements 28 ist zur Aufnahme der Mutter 54 ausgeführt, die hier aus TZM besteht. Die Mutter 54 wird auf dem Endabschnitt 53 angezogen und kommt auf der Oberseite der Anodenscheibe 26 zur Anlage, so daß sie einen nach unten gerichteten Druck auf die Anodenscheibe 26 gegen die Hartlötscheibe 36 und den Flansch 50 der Aufnahmefläche 30 ausübt. Eine solche mechanische Kraft preßt das relativ weiche Hartlötmaterial zwischen der relativ harten TZM-Scheibe 26 und dem TZM-Flansch 50 zusammen, wodurch die Hartlötscheibe 36 zu einem dünnen Element umgeformt wird, das eng an der Aufnahmefläche 30 anliegt. Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Größe der - Hartlötscheibe 36 so gewählt ist, daß eine solche Scheibe 36 sich nicht seitlich über die Außenkanten des Flansches 50 hinaus ausdehnen kann, wenn sie wie oben beschrieben auf mechanische Weise zusammengepreßt wird.
Nachdem die TZM-Mutter 54 wie oben beschrieben fest angezogen worden ist, wird das Targetelement 24 erhitzt. Hier erfolgt ein solche Erhitzung des Targets durch elektrische Energie in Form eines Elektronenstrahls, der auf die Brennzone 52 der Anodenscheibe 26 gerichtet wird. Wahlweise kann die Anodenscheibe 26 induktiv erhitzt werden, indem die Scheibe 26 einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird. Vorzugsweise wird die Targetanordnung 22 bei der Einwirkung elektrischer Energie auf die Anodenscheibe 26 nicht rotiert, wodurch eine evtl. Gefahr des Durchtrutschens des Targetelements 24 auf dem Tragelement 28 auf ein Minimum gesenkt wird. Der auf die Brennzone 52 gerichtete Elektronenstrahl ist deshalb relativ niederenergetisch, um eine Beschädigung der Brennzone 52 zu vermeiden. Die in der Anodenscheibe 26 erzeugte Wärme wird durch Wärmestrahlung von der Scheibe 26 und durch Konduktion über den Schaft 48 des Tragelements 28 abgeführt. Der Flansch 50 und die Mutter 54 werden jedoch nicht im selben Ausmaß erhitzt wie die Anodenscheibe 26, da die erstgenannten Teile nur durch Konduktion von der Scheibe 26 eine Temperaturerhöhung erfahren, während die Wärme innerhalb der Anodenscheibe 26 unmittelbar durch den auf sie gerichteten Elektronenstrahl oder die induktive Erwärmung derselben erzeugt wird. Das Targetelement 26 erfährt somit eine ausgeprägtere mechanische Ausdehnung aufgrund dieser Wärme als sowohl der kühlere Schaftflansch 50 als auch die Mutter 54. Der Flansch 50 und die Mutter 54 begrenzen also das Ausmaß der mechanischen Ausdehnung des Targetelements 24, wodurch sie sehr hohe mechanische Kräfte an den Trennflächen zwischen der Anodenscheibe 26 des Targetelements und dem Flansch 50 und der Mutter 54 erzeugen. Mit anderen Worten, die zusammengepreßte Hartlötscheibe 36, die an der Trennfläche zwischen der Unterseite 29 des Targetelements 24 und der Aufnahmefläche 30 des Tragelements 28 angeordnet ist, wird durch die eingeschränkte Ausdehnung der Anodenscheibe 26 noch stärker gegen den Flansch 50 gepreßt. Des weiteren erfolgt dieses zusätzliche Zusammenpressen aufgrund der Erhitzung des Targetelements 24 (und, durch Konduktion, des Tragelements 28) bei einer hohen Temperatur. Durch eine derartige Kombination aus hohen mechanischen Kräften und Wärme (z.B. 1000ºC) diffundiert das Hartlötmaterial 36 sowohl in eine benachbarte Zone 37 der Anodenscheibe 26 des Targetelements als auch in eine benachbarte Zone 39 des Aufnahmeelementflansches 50, wodurch die Unterseite 29 und die Aufnahmefläche 30 zwangsweise zur Berührung kommen. Damit wird eine sehr feste mechanische Verbindung zwischen dem TZM-Targetelement 24 und dem TZM-Aufnahmeelement 28 gebildet, wodurch die Anodenscheibe 26 auf diesem gesichert wird, die ein Durchrutschen des Targetelements 24 auf dem Tragelement 28 während der hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Targetanordnung im Betrieb der Röntgenvorrichtung 10 im wesentlichen verhindert.
Man hat festgestellt, daß die Targetanordnung 22 im Betrieb der Röntgenvorrichtung 10 Temperaturen im Bereich von 1300ºC erreicht. Typische Hartlötmaterialien, z.B. die in der vorliegenden Erfindung als Materialien für die Hartlötscheibe 36 verwendeten Pd-Co- und Pd-Ni-Legierungen, haben Schmelztemperaturen gleich oder niedriger als der Betriebstemperaturbereich der Targetanordnung 22 sowie relativ hohe Dampfdrücke z.B. in der Größenordnung von 0,0133 Pa (10&supmin;&sup4; Torr) bei diesen hohen Betriebstemperaturen. Es ist zu beachten, daß der Dampfdruck von TZM mit unter 1,33 10&supmin;&sup9; Pa (10&supmin;¹¹ Torr) wesentlich geringer ist. Wird also ein derartiges Hartlötmaterial während des Betriebs innerhalb der Röntgenröhre 12 diesen hohen Dampfdrücken ausgesetzt, so ermöglichen diese, daß sich metallische Abscheidungen, das Hartlötmaterial umfassend, auf den Innenflächen des Vakuumkolbens 38 bilden. Dadurch würde eine Lichtbogenbildung zwischen den Elementen mit hohem elektrischen Potential (d.h. der Anode und der Kathode) und den metallischen Abscheidungen auf den Seiten des Kolben 38 eintreten, was die Leistung der Röntgenröhre 12 verschlechtern würde.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung durch der danach hergestellten Targetanordnung 22 löst das obenbeschriebene Problem, indem das Hartlötmaterial 36 bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes dieses Hartlötmaterials in das TZM-Targetelement 24 und das TZM-Aufnahmeelement 28 eindiffundiert. Das bedeutet, daß das Targetelement 24 auf Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Hartlötmaterials 36 erhitzt wird, wobei die hohen mechanischen Kräfte, die an der Trennfläche zwischen der Anodenscheibe 26 und dem Flansch 50 als Reaktion auf eine derartige Erhitzung erzeugt werden, das Hartlötmaterial 36 bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes dieses Hartlötmaterials 36 vollständig in die Zonen 37, 39 eindiffundieren. So liegt beispielsweise der Schmelzpunkt von Pd-Co, einem der als Hartlot 36 geeigneten Materialien, bei etwa 1238ºC. Während des obenbeschriebenen Diffusionsverbindungsprozesses wird das Targetelement 24 nur auf ca. 1000ºC (z.B. durch Beaufschlagen der Brennzone 52 mit elektrischer Energie) erhitzt. Die an der Trennfläche zwischen der Unterseite 29 des Targetelements und der Aufnahmefläche 30 des Tragelements aufgrund der Beschränkung der Ausdehnung der Anodenscheibe 26 durch den Flansch 50 und die Mutter 54 erzeugten hohen mechanischen Kräfte bewirken zusammen mit dieser Temperatur das vollständige Eindiffundieren des Hartlötmaterials in das TZM-Metall der Scheibe 26 und des Flansches 50. Es sei darauf hingewiesen, daß nach dem Eindiffundieren des Hartlötmaterials 36 in die Zonen 37, 39 der TZM-Scheibe 26 bzw. des Flansches 50, die Schmelztemperatur der Diffusionszonen 37, 39 höher als die Schmelzemperatur des Hartlötmaterials (z.B. 1238ºC bei Verwendung von Pd-Co), aber niedriger als die des TZM (2600ºC) ist. Wird die durch Diffusion verbundene Targetanordnung 22 während des Normalbetriebs der Röntgenröhre 12 auf sehr hohe Temperaturen von 1300ºC oder darüber erhitzt, so ist das Hartlötmaterial 36 nur als Teil der Diffusionsverbindung zwischen dem Targetelement 24 und dem Tragelement 28 vorhanden. Anders ausgedrückt, während des Betriebs der Röntgenröhre 12 ist mit Ausnahme der Zonen 37, 39 kein Pd-Co- oder das Pd-Ni- Hartlötmaterial 36 innerhalb der Röntgenröhre 12 vorhanden, in denen dieses Hartlötmaterial in das TZM eindiffundiert ist. Der Dampfdruck von TZM bei 1300ºC ist mit unter 1,33 10&supmin;&sup9; Pa (10&supmin;¹¹ Torr) sehr niedrig. Dadurch hat das Diffusionsmetall in den Zonen 37, 39 einen ähnlich niedrigen Dampfdruck, was die Abscheidung des Hartlötmaterials 36 auf den Oberflächen der Röntgenröhre 12 ausschließt. Mit der vorliegenden Erfindung werden deshalb ein Hartlötverfahren für eine Targetanordnung sowie eine Targetanordnung 22 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, die nach diesem Verfahren hergestellt wird, bereitgestellt, bei dem das Targetelement 24 mit dem Tragelement 28 bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Hartlötmaterials 36 verlötet wird, wodurch eine Dampfabscheidung dieses Hartlötmaterials 36 auf den Innenflächen der Röntgenröhre 12 vermieden wird. Bei einer solchen Anordnung wird eine Diffusionsverbindung zwischen dem Targetelement 24 und dem Tragelement 28 bereitgestellt, die ein Durchrutschen der Anodenscheibe 26 des Targetelements 24 auf dem Schaft 48 des Aufnahmeelements 28 im wesentlichen verhindert, wodurch wiederum verhindert wird, daß die Anodenscheibe 26 eine Unwucht erfährt und während der Rotation auf dem Schaft 48 in Schwingung gerät.
Es sei darauf hingewiesen, daß das Hartlötmaterial 36 wahlweise auch auf einer anderen Trennfläche zwischen dem Targetelement 24 und dem Tragelement 28 angeordnet werden kann. So kann das Hartlötmaterial beispielsweise seitlich auf dem Hals 51 des Aufnahmeelements oder auf den Wandungen der zentralen Bohrung 27, die mit dem Hals 51 in Berührung stehen, aufgebracht werden. Um jedoch die obenbezeichnete metallische Abscheidung zu vermeiden nicht auf denjenigen Abschnitten der Wandungen der zentralen Bohrung 27 aufgebracht werden, die nicht mit dem Hals 51 in Berührung stehen, wenn die Anodenscheibe 26 auf dem Tragelement 28 befestigt wird, da in diesem Fall das Hartlötmaterial in seinem ursprünglichen Zustand (d.h. Pd-Co oder Pd-Ni) bleiben und nicht in das Targetelement 24 oder das Tragelement 28 eindiffundieren würde. Wahlweise kann das Hartlormaterial auch auf der Trennfläche zwischen der TZM-Mutter 54 und der TZM-Anodenscheibe 26 angeordnet werden, wobei darauf zu achten ist, daß das Hartlötmaterial durch diese TZM-Elemente abgedeckt wird und nicht ungeschützt bleibt (womit eine metallische Abscheidung des Hartlötmaterials auf den Seiten der Röntgenröhre 12 verhindert wird).
Während des Betriebs der Röntgenröhre 12 erzeugt die Rotation der Targetanordnung 22 eine mechanische Kraft auf das Targetelement 24, die gegenüber der Rotationsachse 32 nach außen gerichtet ist, d.h. eine Zentrifugalkraft. Diese Zentrifugalkraft wird durch Pfeile 33 in der Fig. 2 dargestellt und hat das Bestreben, die Anodenscheibe 26 vom Hals 51 wegzuziehen. Durch kurze Überlegung kommt man zu dem Schluß, daß durch Anordnen des Hartlötmaterials 36 auf der Aufnahmefläche 30 und damit durch Herstellen der Diffusionsverbindung an der Trennfläche zwischen der Unterseite 29 des Targetelements und der Aufnahmefläche 30 des Tragelements, die Zentrifugalkraft 33 eine Schubbelastung auf eine solche Diffusionsverbindung ausübt. Andererseits würde die Zentrifugalkraft 33 eine Zug- oder Druckbelastung auf eine zwischen dem Hals 51 des Tragelements und den Wandungen der zentralen Bohrung 27 der Anodenscheibe ausgebildete Diffusionsverbindung ausüben. Wie bekannt ist, reißt eine Diffusionsverbindung weniger wahrscheinlich unter Schubbelastung als unter Zug- oder Druckbelastung. Somit wird die in der Fig. 2 dargestellte Diffusionsverbindung zwischen der Aufnahmeoberfläche 30 und der Unterseite 29 der Scheibe bevorzugt und überwindet außerdem die Zug/Druckbelastungsprobleme in Zusammenhang mit der in der Einleitung beschriebenen Targetanordnung, in der der Schaft des Tragelements das Hartlötmaterial umfaßt.
Nach der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann alternative Ausführungsbeispiele offensichtlich, ohne daß dabei vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert, abgewichen wird. So können beispielsweise andere Hartlötmaterialien als Pd-Co der Pd-Ni verwendet werden. Außerdem können andere geeignete Materialien als TZM als Werkstoff für das Tragelement 28, die Mutter 54 und das Targetelement 24 verwendet werden.

Claims

1. Im Betrieb rotierende Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen, mit

einem Targetelement (24) zum Erzeugen von Röntgenstrahlen;

einer Einrichtung (28) zum Tragen des Targetelements (24); und mit einer Einrichtung (36) zum Befestigen des Targetelements (24) an dieser Trageinrichtung (28), dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtung (36) ein Hartlötmaterial (36) umfaßt, das auf einer Trennfläche zwischen einer ersten Oberfläche (29) des Targetelements (24) und einer ersten Oberfläche (30) der Trageinrichtung (28) aufgebracht wird und im wesentlichen vollständig in das Targetelement (24) und die Trageinrichtung (28) eindiffundiert, wobei die ersten Oberflächen (29, 30) an der dazwischenliegenden Trennfläche miteinander in Berührung stehen.

2. Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetelement (24) zum Erzeugen von Röntgenstrahlen und die Trageinrichtung (28) jeweils ein hitzebeständiges Metall umfassen.

3. Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtung (28) einen Schaftabschnitt (48, 51) und einen Flanschabschnitt (50) umfaßt, der quer zu dem Schaftabschnitt (48, 51) angeordnet ist, wobei das Targetelement (24) auf dem Flanschabschnitt (50) und dem Schaftabschnitt (48, 51) angeordnet ist, der sich durch eine Öffnung (27) in dem Targetelement (24) erstreckt.

4. Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlötmaterial (36) auf einer Trennfläche zwischen dem Targetelement (24) und dem Flanschabschnitt (50) angeordnet ist.

5. Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlötmaterial (36) auf einer Trennfläche zwischen dem Targetelement (24) und dem Schaftabschnitt (51) angeordnet ist.

6. Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftabschnitt (51, 53) mit einem Gewinde versehen ist und daß die Trageinrichtung (28) des weiteren eine Mutter (54) umfaßt, die mit dem Gewindeschaftabschnitt (53) und mit dem Targetelement (24) in Eingriff steht.

7. Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlötmaterial (36) auf einer Trennfläche zwischen der Mutter (54) und dem Targetelement (24) angeordnet ist.

8. Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetelement (24) eine darauf angeordnete Röntgenstrahlen- Targetoberfläche (52) hat.

9. Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlötmaterial (36) eine Legierung aus Palladium und Kobalt oder aus Palladium und Nickel ist.

10. Target-Anordnung zum Erzeugen von Röntgenstrahlen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetelement (24) und die Trageinrichtung (28) TZM umfassen.

11. Röntgenröhre, mit einem gasleeren Kolben (38) und einer innerhalb des Kolbens (38) angeordneten und um eine Rotationsachse (32) rotierbaren- Target-Anordnung (22) zum Erzeugen von Röntgenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Target-Anordnung (22) eine jedem beliebigen der vorstehenden Ansprüche entsprechende Anordnung ist.

12. Verfahren zum Befestigen eines Targetelements (24) zum Erzeugen von Röntgenstrahlen an einem Tragelement (28), mit folgenden Verfahrensschritten:

Aufbringen eines Hartlötmaterials (36) auf einer Trennfläche zwischen einer ersten Oberfläche (30) des Aufnahmeelements (28) und einer ersten Oberfläche (29) des Targetelements (24), wobei das Hartlötmaterial (36) eine niedrigere Schmelztemperatur als das Targetelement (24) und das Tragelement (28) hat; und

Eindiffundieren des Hartlötmaterials (36) in beide ersten Oberflächen (29, 30) bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Hartlötmaterials (36), wobei der Schritt des Eindiffundierens folgende Schritte umfaßt:

Zusammenpressen des Targetelements (24) und des Tragelements (28) an der Trennfläche zwischen ihren ersten Oberflächen (29, 30); und Erhitzen des Targetelements (24), so daß sich das Targetelement (24) gegen das Hartlötmaterial (36) an der Trennfläche ausdehnt.