EP0023065B1 - Drehanode für Röntgenröhren - Google Patents
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Classifications
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Definitions
- the invention relates to a rotating anode for X-ray tubes with a base body made of carbon, an electron-collecting layer made of a heavy metal and an intermediate layer consisting of several layers, which is arranged between the base body and the electron-collecting layer.
- the basic body of the rotating anode consists, for. B. of graphite, in particular electrographite, of pyrolytic graphite or of carbon foams, such as. B. are described in DE-OS 2 453 204 and 2648900.
- the base body can also consist of sub-elements made of these materials, e.g. B. composed of electrographite and pyrolytic graphite.
- the electron trapping layer is also referred to as an electron impingement part (DE-PS 2 115 896), an X-ray active layer or an anti-cathode or impact electrode layer (DE-OS 2 748 566). It consists e.g. B. from tungsten, molybdenum, tantalum or alloys of these metals with each other or with rhenium.
- an intermediate layer containing rhenium and molybdenum is arranged between the base body made of graphite and the electron collecting layer made of tungsten or a tungsten alloy.
- the intermediate layer consists of two layers, the layer in contact with the base body containing a large amount of rhenium, e.g. B. 70 to 90 wt .-% rhenium, based on the total weight of rhenium and molybdenum, while the layer in contact with the electron trapping layer contains a large amount of molybdenum.
- Molybdenum-containing intermediate layers result in good adhesion, but molybdenum forms with the graphite of the base body at temperatures of or more than 1500 K molybdenum carbide, which has a relatively poor thermal conductivity and also the adhesion between the electron trapping layer, e.g. B. made of tungsten, on the one hand and the base body made of graphite on the other hand, so that it can come to complete detachment of the electron trapping layer from the base body with longer electron beam exposure.
- the electron trapping layer e.g. B. made of tungsten
- the invention has for its object to provide a barrier against carbon diffusion below the electron trapping layer, which has almost the heat conduction properties of metals and which also provides sufficient protection against the penetration of carbon into the electron trapping layer at temperatures above 1500 K.
- the layer of the intermediate layer adjoining the base body and the layer of the intermediate layer adjoining the electron-collecting layer consist of pure rhenium and that between these two layers a further layer of an alloy of rhenium with at least one carbide-forming metal is arranged .
- the alloy preferably contains 1 to 25 mol% of carbide-forming metals.
- Carbide-forming metals are e.g. B. titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten and some rare earths (US Pat. No. 2,979,813) and nickel and iron (DE-PS 896 234).
- Rhenium alloys with 1 to 25 mol% tungsten or 1 to 5 mol% tantalum or 1 to 3 mol% hafnium are preferred.
- the layer of pure rhenium adjoining the base body is preferably 1 to 20 ⁇ m, in particular 5 ⁇ m, thick.
- the layer consisting of the rhenium alloy is preferably 1 to 30 ⁇ m, in particular 4 ⁇ m, thick.
- the layer of pure rhenium adjoining the electron collecting layer is preferably 1 to 20 ⁇ m, in particular 2 ⁇ m, thick.
- the individual layers of the intermediate layer are z. B. produced by deposition from the gas phase.
- the pure rhenium layers are preferably obtained by reducing rhenium halides with hydrogen.
- gaseous mixtures of rhenium halides and halides of the desired metal additives are reduced with hydrogen.
- the diffusion-inhibiting effect of the layer of pure rhenium adjoining the base body is sufficient at temperatures of the intermediate layer below 1500 K - as occurs in rotating anodes in approximately 80% of the loading time.
- temperatures above 1500 K - which occur in about 20% of the loading times - the carbon atoms diffusing through the aforementioned layer are caught by the carbide-forming metals.
- the carbide formation hardly has adverse effects on heat conduction or liability.
- the rhenium layer adjacent to the electron trapping layer ensures that the carbon exchange between the carbides in the intermediate layer and the metal, e.g. B. tungsten, the electron collecting layer is largely prevented.
- the inventive structure of the intermediate layer acting as a diffusion barrier with outer layers made of pure rhenium also enables the already known good mechanical properties of rhenium intermediate layers to be maintained.
- the effectiveness of the multilayer rhenium intermediate layer is further improved by the fact that the average diffusion coefficient becomes smaller with the progressive carbide formation in the central part of the barriers, which leads to an increased service life.
- the base body 1 consists of electrographite.
- the metal layers 2 to 5 are applied by deposition from the gas phase only to the bevelled end face of the base body of the rotating anode.
- the rhenium layer 2 is 5 ⁇ m thick.
- the layer 4 made of pure rhenium is 2 ⁇ m thick and the electron collecting layer 5 made of tungsten has a thickness of 200 gm.
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- X-Ray Techniques (AREA)
- Electrolytic Production Of Metals (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
- Solid Thermionic Cathode (AREA)
Description
- Die Erfindung betrifft eine Drehanode für Röntgenröhren mit einem Grundkörper aus Kohlenstoff, einer Elektronenauffangschicht aus einem Schwermetall und einer aus mehreren Lagen bestehenden rheniumhaltigen Zwischenschicht, die zwischen dem Grundkörper und der Elektronenauffangschicht angeordnet ist.
- Der Grundkörper der Drehanode besteht z. B. aus Graphit, insbesondere Elektrographit, aus pyrolytischem Graphit oder aus Schaumkohlenstoffen, wie sie z. B. in den DE-OS 2 453 204 und 2648900 beschrieben sind. Der Grundkörper kann auch aus Teilelementen aus diesen Werkstoffen, z. B. aus Elektrographit und pyrolytischem Graphit, zusammengesetzt sein.
- Die Elektronenauffangschicht wird in der Literatur auch als Elektronen-Auftreffteil (DE-PS 2 115 896), röntgenaktive Schicht oder Antikathoden- bzw. Prallelektrodenschicht (DE-OS 2 748 566) bezeichnet. Sie besteht z. B. aus Wolfram, Molybdän, Tantal oder Legierungen dieser Metalle untereinander oder mit Rhenium.
- Aus der AT-PS 281 215 ist eine Drehanode bekannt, bei der zwischen dem Grundkörper aus Graphit und der Elektronenauffangschicht aus Wolfram bzw. einer Wolframlegierung, die z. B. Osmium oder Iridium enthält, eine Zwischenschicht aus Rhenium angeordnet ist. Durch diese Zwischenschicht wird zwar eine Diffusion des Graphits in die Elektronenauffangschicht praktisch vollkommen unterbunden. Bei den Untersuchungen, die zur Erfindung geführt haben, wurde aber festgestellt, daß die erwünschte Diffusionshemmung oberhalb von 1500 K für eine hinreichend lange Zeit nur mit mehr als 10 µm dicken und damit teuren Zwischenschichten aus Rhenium erreicht wird.
- Bei der aus der DE-OS 2 748 566 bekannten Drehanode ist zwischen dem aus Graphit bestehenden Grundkörper und der aus Wolfram oder einer Wolframlegierung bestehenden Elektronenauffangschicht eine Rhenium und Molybdän enthaltende Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht besteht aus zwei Lagen, wobei die mit dem Grundkörper in Berührung stehende Lage eine große Menge an Rhenium, z. B. 70 bis 90 Gew.-% Rhenium, bezogen auf das Gesamtgewicht von Rhenium und Molybdän, enthält, während die mit der Elektronenauffangschicht in Berührung stehende Schicht eine große Molybdänmenge enthält. Molybdänhaltige Zwischenschichten ergeben zwar eine gute Haftung, Molybdän bildet jedoch mit dem Graphit des Grundkörpers bei Temperaturen von bzw. von mehr als 1500 K Molybdänkarbid, das ein relativ schlechtes Wärmeleitvermögen hat und außerdem die Haftung zwischen der Elektronenauffangschicht, z. B. aus Wolfram, einerseits und dem Grundkörper aus Graphit andererseits beeinträchtigt, so daß es bei längerer Elektronenstrahlbelastung zum völligen Ablösen der Elektronenauffangschicht vom Grundkörper kommen kann.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unterhalb der Elektronenauffangschicht eine Barriere gegen die Kohlenstoffdiffusion zu schaffen, die nahezu die Wärmeleitungseigenschaften von Metallen aufweist und die auch bei Temperaturen oberhalb 1500 K einen ausreichenden Schutz gegen das Eindringen von Kohlenstoff in die Elektronenauffangschicht bietet.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die an den Grundkörper anschließende Lage der Zwischenschicht und die an die Elektronenauffangschicht anschließende Lage der Zwischenschicht aus reinem Rhenium bestehen und daß zwischen diesen beiden Lagen eine weitere Lage aus einer Legierung von Rhenium mit mindestens einem karbidbildenden Metall angeordnet ist.
- Die Legierung enthält vorzugsweise 1 bis 25 Mol-% karbidbildende Metalle.
- Karbidbildende Metalle sind z. B. Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und einige Seltene Erden (US-PS 2 979 813) sowie Nickel und Eisen (DE-PS 896 234).
- Bevorzugt werden Rheniumlegierungen mit 1 bis 25 Mol-% Wolfram oder 1 bis 5 Mol-% Tantal oder 1 bis 3 Mol-% Hafnium.
- Die an den Grundkörper anschließende Lage aus reinem Rhenium ist vorzugsweise 1 bis 20 µm, insbesondere 5 µm, dick. Die aus der Rheniumlegierung bestehende Lage ist vorzugsweise 1 bis 30 µm, insbesondere 4 µm, dick. Die an die Elektronenauffangschicht anschließende Lage aus reinem Rhenium ist vorzugsweise 1 bis 20 µm, insbesondere 2 um, dick.
- Die einzelnen Lagen der Zwischenschicht werden z. B. durch Abscheidung aus der Gasphase hergestellt. Dabei werden die reinen Rheniumschichten vorzugsweise durch Reduktion von Rheniumhalogeniden mit Wasserstoff gewonnen. Bei der Abscheidung der aus einer Rheniumlegierung bestehenden Lage werden gasförmige Gemische von Rheniumhalogeniden und Halogeniden der gewünschten Metallzusätze mit Wasserstoff reduziert.
- Durch den erfindungsgemäßen mehrlagigen Aufbau wird erreicht, daß bei Temperaturen der Zwischenschicht unterhalb 1500 K - wie sie in Drehanoden in etwa 80% der Belastungszeit auftreten - die diffusionshemmende Wirkung der an den Grundkörper anschließenden Lage aus reinem Rhenium ausreicht. Bei Temperaturen oberhalb 1500 K - die in etwa 20% der Belastungszeiten auftreten - werden die durch die zuvor genannte Lage hindurchdiffundierenden Kohlenstoffatome von den karbidbildenden Metallen aufgefangen. Wegen der geringen Konzentration an karbidbildenden Metallen in der aus der Legierung bestehenden Lage der Zwischenschicht hat die Karbidbildung kaum nachteilige Auswirkungen auf die Wärmeleitung oder die Haftung. Schließlich gewährleistet die an die Elektronenauffangschicht angrenzende Lage aus Rhenium, daß der Kohlenstoffaustausch zwischen den Karbiden in der Zwischenschicht und dem Metall, z. B. Wolfram, der Elektronenauffangschicht weitgehend unterbunden wird.
- Der erfindungsgemäße Aufbau der als Diffusionsbarriere wirkenden Zwischenschicht mit äußeren Lagen aus reinem Rhenium ermöglicht auch die Einhaltung der bereits bekannten, guten mechanischen Eigenschaften von Rhenium-Zwischenschichten. Die Wirksamkeit der mehrlagigen Rhenium-Zwischenschicht wird noch dadurch verbessert, daß der mittlere Diffusionskoeffizient mit fortschreitender Karbidbildung im mittleren Teil der Barrieren kleiner wird, was zu einer erhöhten Lebensdauer führt.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
- Fig. 1 eine Drehanode im Schnitt,
- Fig. 2 ein schematisches Schnittbild einer Schichtenfolge zur Diffusionshemmung.
- Der Grundkörper 1 besteht aus Elektrographit. Die Metallschichten 2 bis 5 werden durch Abscheiden aus der Gasphase nur auf die abgeschrägte Stirnfläche des Grundkörpers der Drehanode aufgebracht. Die Rheniumschicht 2 ist 5 µm dick. Die Schicht 3, die aus mit 5 Mol-% Tantal dotiertem Rhenium besteht, hat eine Dicke von 4 µm. Die Schicht 4 aus reinem Rhenium ist 2 µm dick und die Elektronenauffangschicht 5 aus Wolfram hat eine Dicke von 200 gm.
Claims (6)
1. Drehanode für Röntgenröhren mit einem Grundkörper (1) aus Kohlenstoff, einer Elektronenauffangschicht (5) aus einem Schwermetall und einer aus mehreren Lagen bestehenden rheniumhaltigen Zwischenschicht, die zwischen dem Grundkörper (1) und der Elektronenauffangschicht (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Grundkörper (1) anschließende Lage (2) der Zwischenschicht und die an die Elektronenauffangschicht (5) anschließende Lage (4) der Zwischenschicht aus reinem Rhenium bestehen und daß zwischen diesen beiden Lagen eine weitere Lage (3) aus einer Legierung von Rhenium mit mindestens einem karbidbildenden Metall angeordnet ist.
2. Drehanode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung, aus der die weitere Lage (3) besteht, 1 bis 25 Mol-% karbidbildende Metalle enthält.
3. Drehanode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung, aus der die weitere Lage (3) besteht, 1 bis 25 Mol-% Wolfram oder 1 bis 5 Mol-% Tantal oder 1 bis 3 Mol-% Hafnium enthält.
4. Drehanode nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Grundkörper (1) anschließende Lage (2) aus reinem Rhenium 1 bis 20 µm dick ist.
5. Drehanode nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Rheniumlegierung bestehende Lage (3) 1 bis 30 µm dick ist.
6. Drehanode nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Elektronenauffangschicht (5) anschließende Lage (4) aus reinem Rhenium 1 bis 20 µm dick ist.
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