DE1913793A1 - Rotary anode for x ray tubes and processing - technique for it - Google Patents

Abstract

A graphite base is covered with a tantalum coating, an intermediate layer of tantalum carbide being used as an undercoat on which the final tantalum surface is formed. The undercoat may cover the whole surface of the anode but the tantalum layer is only on the end face. Alternatively both may be formed on the end face only.

Description

Drehanode für Röntgenröhre und Bearbeitungsverfahren hierzu Die Erfindung betrifft eine Drehanode für eine Röntgenröhre, bei der auf einem Graphitträger ein Tantalüberzug aufgebracht ist. Außerdem wird ein vorteilhaftes Bearbeitungsverfahren für die Uberzugsschicht einer solchen Drehanode angegeben. Rotary anode for X-ray tubes and processing methods therefor. The invention relates to a rotating anode for an X-ray tube in which a Tantalum coating is applied. It also becomes an advantageous machining method specified for the coating layer of such a rotating anode.

Drehanoden in Röntgenröhren sind extremen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Diese Teile werden außerdem fortgesetzt Wärmestößen unterworfen. Ihre Betriebstemperatur erreicht oft 2 0000 C, wobei die vom Elektronenstrahl getroffene Brennbahn eine Temperatur von über 2 5000 C annimmt. Dabei drehen sich die Drehanoden unter schlechten Wärmeabgabebedingungen eines hohen Vakuums mit Drehzahlen von 2 500 bis 8 000 Umdrehungen pro Minute. Die Wärmeabfuhr kann daher im wesentlichen nur durch Strahlung über die ölgekühlte Glaswand erfolgen.Rotating anodes in X-ray tubes are extreme thermal and mechanical Exposed to loads. These parts are also continuously subjected to thermal shock. Their operating temperature often reaches 20000 C, the one struck by the electron beam Brennbahn assumes a temperature of over 2 5000 C. The rotating anodes rotate in the process under poor heat release conditions of a high vacuum with speeds of 2 500 to 8,000 revolutions per minute. The heat dissipation can therefore essentially can only be done by radiation through the oil-cooled glass wall.

Zur Anpassung an die schwierigen Betriebsbedingungen sind die verschiedensten Ausführungsformen von Drehanoden bekannt, die jedoch den gestellten Anforderungen jeweils nur teilweise genügen. Bekannte Drehanoden bestehen entweder aus einer massiven Sinter-Wolframscheibe oder aus einer Molybdänscheibe, auf die entweder reines Wolfram oder eine Mischung von Wolfram und Rhenium gesintert wurde. Drehanoden mit gesinterten Refraktärmetallen zeigen jedoch ein schnelles Kornwachstum sowie eine Abscheidung der Verunreinigungen an den Korngrenzen und dadurch eine erleichterte Versetzung der Körner. Dabei werden die Verunreinigungen, die stets in den als Ausgangsstoffen benutzten Refraktärmetallen enthalten sind und trotz Entgasung in Wasserstoffatmosphäre oder Vakuum nicht völlig entfernt werden können, während der Betriebsdauer in der Röntgenröhre abgeschieden. Sie tragen zur Bildung einer Metallschicht auf der Innenwand der Röntgenröhre bei, und diese leitende Schicht beeinträchtigt wegen der hohen Betriebsspannungen die Gebrauchsfähigkeit der Röntgenröhre.To adapt to the difficult operating conditions are the various Embodiments of rotating anodes known, but which meet the requirements each only partially suffice. Known rotating anodes either consist of a massive one Sintered tungsten disc or from a molybdenum disc on which either pure tungsten or a mixture of tungsten and rhenium has been sintered. Rotating anodes with sintered However, refractory metals show rapid grain growth and deposition the impurities at the grain boundaries and thereby an easier dislocation the grains. Thereby the impurities, which are always in the as starting materials used refractory metals are contained and despite degassing in a hydrogen atmosphere or vacuum cannot be completely removed during the operating time in the X-ray tube deposited. They contribute to the formation of a metal layer on the inner wall the X-ray tube, and this conductive layer is impaired because of the high Operating voltages the serviceability of the X-ray tube.

Andere bekannte Ausführungsformen von Drehanoden zeigen eine auf einer Molybdänunterlage mit Hilfe des Plasmabrenners aufgetragene Tantalkarbidschicht. Die auf diese Weise gewonnene Oberflächenschicht besitzt eine Dichte, die nur 60 bis 70 X derjenigen des Ausgangsstoffes beträgt. Solche Uberzüge können daher Wärmestößen nicht genügend standhalten.Other known embodiments of rotating anodes show one on one Molybdenum base with the help of the plasma torch applied tantalum carbide layer. The surface layer obtained in this way has a density that is only 60 to 70 X that of the starting material. Such coatings can therefore heat shocks not withstand enough.

Es ist außerdem bereits bekannt, eine Drehanode in der Weise herzustellen, daß auf eine Graphitscheibe ein elektrolytisch niedergeschlagener Rheniumüberzug aufgebracht wird. Das Rhenium bildet aber kein Karbid, und der aufgebrachte Uberzug haftet daher auf dem Graphitträger schlecht. Aus diesem Grunde wurde ein chemisch aus der Gasphase abgeschiedener Wolframüberzug auf einer Molybdänscheibe verwendet, die jedoch nach den Betriebserfahrungen leicht plastisch verformt wird, so daß rasch eine Verletzung des chemisch aus der Gasphase abgeschiedenen Wolframüberzuges eintritt.It is also already known to manufacture a rotating anode in such a way that that on a graphite disc an electrolytically deposited rhenium coating is applied. The rhenium, however, does not form carbide, and neither does the applied coating therefore does not adhere well to the graphite support. Because of this, it became a chemical Tungsten coating deposited from the gas phase on a molybdenum disk used, which, however, is slightly plastically deformed according to operating experience, so that the tungsten coating chemically deposited from the gas phase is quickly damaged entry.

Bekannt sind ferner Drehanoden, bei denen nacheinander zwei verschiedene, jeweils chemisch aus der Gasphase abgeschiedene Metallüberzüge auf einer Graphitunterlage angeordnet sind.Rotary anodes are also known, in which two different, Metal coatings, each chemically deposited from the gas phase, on a graphite base are arranged.

Es handelt sich dabei zunächst um einen Tantalüberzug, der mit einer Oberflächenschicht aus Wolfram belegt ist. Dabei muß der Tantalüberzug jedoch eine beträchtliche Dicke aufweisen, wenn eine hinreichende Wirksamkeit eintreten soll.It is initially a tantalum coating with a Surface layer made of tungsten is covered. However, the tantalum coating must have a have considerable thickness if sufficient effectiveness is to occur.

Seine Bedeutung besteht darin, daß er die Diffusion des Wolframs in das Graphit verhindern soll. Unter dem Einfluß der hohen Texperaturen und der Wärmestöße findet eine solche Diffusion bei dünnen Tantalschichten trotzdem sehr schnell statt, wodurch der Schmelzpunkt des aufgekohlten Wolframs beträchtlich erniedrigt wird. Außerdem kann der Tantalüberzug durch das Auftragen des chemisch aus der Gasphase abgeschiedenen Wolfraiüberzugs beschädigt werden. Ursache hierfür ist die Reduktion von Wolframfluorid (WF6) aus der Gasphase durch Wasserstoff, wobei die gebildete Flußsäure die bereits aufgebrachte Tantalschicht angreift.Its importance consists in that it increases the diffusion of the tungsten in which graphite is supposed to prevent. Under the influence of high temperatures and heat shocks if such a diffusion takes place very quickly with thin tantalum layers, whereby the melting point of the carburized tungsten is considerably lowered. In addition, the tantalum coating can be applied chemically from the gas phase the deposited Wolfraibeschichtung can be damaged. The reason for this is the reduction of tungsten fluoride (WF6) from the gas phase through hydrogen, the formed Hydrofluoric acid attacks the tantalum layer that has already been applied.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, eine Drehanode für Röntgenröhren zu schaffen, welche bei relativ einfacher Herstellung eine hohe Lebensdauer erzielt. Sie soll außerdem in Betrieb keine schädlichen Verunreinigungen abgeben. Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, daß auf den Graphitträger eine Zwischenschicht aus Tantal -karbid (TaC) aufgebracht ist, welche eine Oberflächenschicht aus Tantal trägt.The invention is based on the object of providing a rotating anode for To create X-ray tubes which have a long service life with relatively simple manufacture achieved. In addition, it should not give off any harmful impurities when in operation. The characteristic of the invention is to be seen in the fact that on the graphite carrier a Intermediate layer made of tantalum carbide (TaC) is applied, which carries a surface layer made of tantalum.

Eine vorteilhafte Ausführung der Drehanode kann demnach aus einer schichtweise zusammengesetzten Scheibe bestehen, bei der auf einen Graphitträger von etwa 8 bis 10 mm Stärke eine Zwischenschicht aus Tantalkarbid in der Stärke von 0,10 bis 0,15 mm und schließlich eine Oberflächenschicht aus reinem Tantal mit einer Stärke von 0,3 bis 0,4 mm aufgebracht ist.An advantageous embodiment of the rotating anode can therefore consist of a Layered composite disc consist, in which on a graphite support 8 to 10 mm thick, an intermediate layer of tantalum carbide in thickness from 0.10 to 0.15 mm and finally a surface layer made of pure tantalum a thickness of 0.3 to 0.4 mm is applied.

In einem solchen Aufbau bildet das Tantalkarbid eine Dehnungsausgleichsschicht zwischen Graphit und Tantal. Der Ausdehnungs-0 koeffizient von Tantalkarbid bleibt bis etwa 2 700 C annähernd konstant, während derjenige des metallischen Tantals mit der Temperatur wächst. Außerdem diffundiert das Tantal in die Tantalkarbidschicht, und diese Eigenschaft steigert die Haftfestigkeit der auf der Auftreffseite liegenden metallischen Tantalschicht.In such a structure, the tantalum carbide forms an expansion compensation layer between graphite and tantalum. The expansion coefficient of tantalum carbide remains approximately constant up to about 2,700 C, while that of metallic tantalum grows with temperature. In addition, the tantalum diffuses into the tantalum carbide layer, and this property increases the adhesive strength of those on the landing side metallic tantalum layer.

Es kann dabei gegebenenfalls vorteilhaft sein, die Zwisohenschicht auf der gesamten Oberfläche des Graphitträgers anzuordnen, während sich die Oberflächenschicht aus Tantal ausschließlich auf der Stirnfläche der Drehanode befindet. Eine solche Ausbildung berücksichtigt die Tatsache, daß die Wärmeabfuhr von der Drehanode im wesentlichen nur durch Strahlung erfolgen kann, so daß die äußere Tantalschicht nicht die ganze Oberfläche bedecken soll.It can optionally be advantageous to use the intermediate layer to be arranged on the entire surface of the graphite substrate, while the surface layer made of tantalum is located exclusively on the face of the rotating anode. Such Training takes into account the fact that the heat dissipation from the rotating anode in the can essentially only be done by radiation, so that the outer tantalum layer should not cover the entire surface.

Für bestimmte Anwendungen, bei denen die besonders günstigen Wärmestrahlungseigenschaften des Graphitträgers ausgenutzt werden sollen, erscheint es zweckmäßig, eine solche Ausführ-ungsform zu wählen, bei der die Zwischenschicht und die Oberflächenschicht ausschließlich im Bereich der Stirnfläche der Drehanode angeordnet sind. Bei den Anwendungen, bei denen der Graphitträger an seiner ganzen Oberfläche mit Tantalkarbid beschichtet ist, ergibt sich immer noch ein Wärmestrahlungskoeffizient, der etwa 30 % höher liegt als derjenige des massiven metallischen Wolframs, aus dem in bekannter Weise Drehanoden hergestellt werden.For certain applications where the particularly favorable heat radiation properties of the graphite carrier exploited should be, it seems appropriate to choose such an embodiment in which the intermediate layer and the surface layer are arranged exclusively in the area of the end face of the rotating anode. Both Applications in which the graphite substrate is coated with tantalum carbide over its entire surface is coated, there is still a coefficient of thermal radiation that is approximately 30% higher than that of the solid metallic tungsten from which in is known Way rotating anodes are made.

Die Tantaloberflächenschicht bildet außerdem - vakuumtechnisch betrachtet - bei den hohen Betriebstemperaturen ein sehr wirksames Getter und kann daher einen erheblichen Beitrag zur Erhaltung des Hochvakuums im Innenraum der Röntgenröhre liefern.The tantalum surface layer also forms - from a vacuum point of view - A very effective getter at the high operating temperatures and can therefore be a significant contribution to maintaining the high vacuum in the interior of the X-ray tube deliver.

Diese Getterwirkung läßt sich gegebenenfalls noch durch eine entsprechende zusätzliche Dimensionierung der Tantaloberflächenschicht innerhalb und/oder außerhalb der Stirnfläche vorteilhaft steigern. Die Getterwirkung des metallischen Tantals ist bei Röntgenröhren bereits ausgenutzt worden. In einer bekannten Ausführung liegt eine dünne Tantalscheibe hinter der vom Elektronenstrahl bestrichenen Wolframscheibe und wird von dieser durch Strahlung aufgeheizt. Dadurch ergibt sich eine gewisse Getterwirkung, jedoch auch ein erheblicher betriebstechnischer Nachteil, weil die Tantalcheibe die Wärmeabgabe der Wolframscheibe verminderte Bekannt ist ferner eine Beschichtung der Rückseite bei Wolframanoden mit einer Suspension von Tantal- und Zirkoniumpulver in einem organischen Lösungsmittel. Nach einem Sintervorgang entsteht ebenfalls eine Getterschicht, die aber andere Gebrauchseigenschaften außerhalb der Aufrechterhaltung des Vakuums nachteilig beeinflußt.This getter effect can optionally also be achieved by a corresponding additional dimensioning of the tantalum surface layer inside and / or outside increase the front surface advantageously. The getter effect of metallic tantalum has already been exploited in X-ray tubes. In a known embodiment lies a thin tantalum disk behind the tungsten disk, which is smeared by the electron beam and is heated by radiation. This results in a certain Getter effect, but also a significant operational disadvantage because the Tantalum disk reduces the heat output of the tungsten disk. Another known is one Coating of the back of tungsten anodes with a suspension of tantalum and Zirconium powder in an organic solvent. After a sintering process arises also a getter layer, but which has other properties outside of the Maintaining the vacuum adversely affected.

Gegenüber diesen vorbekannten Ausführungen bietet die Ausbildung gemäß der Erfindung den Vorteil, daß die charakteristische Getterwirkung der Tantaloberflächenschicht bereits ohne zusätzliche Maßnahmen ausgenutzt werden kann.Compared to these previously known versions, the training offers according to the invention has the advantage that the characteristic getter effect of the tantalum surface layer can already be used without additional measures.

Die Herstellung derartiger Drehanoden kann nach verschiedenen Verfahren durchgeführt werden. Im allgemeinen erweist es sich als zweckmäßig, die Tantalkarbidschicht mit einem Plasmabrenner herzustellen und die Oberflächenschicht aus metallischem Tantal aus einer gas- bzw. dampfförmigen Tantalverbindung chemisch abzuscheiden. Bei praktischen Erprobungen hat es sich als besonders günstig erwiesen, die Oberflächenschicht aus Tantal durch anodische Abtragung zu glätten. Dieses Bearbeitungsverfahren gewährleistet eine schonende Behandlung der Materialoberfläche und bildet die Grundlage für ein une ter Betriebsbedingungen besonders widerstandsfähiges Gefüge.Rotating anodes of this type can be produced by various methods be performed. In general, it proves to be expedient to use the tantalum carbide layer with a plasma torch and the surface layer made of metallic To chemically deposit tantalum from a gaseous or vaporous tantalum compound. In practical tests, the surface layer has proven to be particularly beneficial made of tantalum to be smoothed by anodic removal. This processing method guarantees a gentle treatment of the material surface and forms the basis for a Particularly resistant structure under operating conditions.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Drehanode gemaß der Erfindung schematisch dargestellt; es zeigen: Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer Drehanode gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Ansicht gemäß Fig. 1 bei einer geänderten Ausführung der Drehanode.In the drawing, an embodiment of a rotating anode is according to the invention shown schematically; They show: FIG. 1 a sectional side view a rotating anode according to the invention, FIG. 2 shows a view according to FIG. 1 at a modified design of the rotating anode.

In Fig. 1 erkennt man eine Drehanode, die einen Graphitträger 1 mit einer den Graphitträger 1 völlig umkleidenden Zwischenschicht 2 aus Tantalkarbid aufweist, wobei auf diese Zwischen schicht 2 auf der Stirnseite, die die Auftreffseite des Elektronenstrahles bildet, eine Oberflächenschicht 3 aus Tantal aufgetragen ist.In Fig. 1 you can see a rotating anode, which a graphite carrier 1 with an intermediate layer 2 made of tantalum carbide which completely surrounds the graphite carrier 1 having, on this intermediate layer 2 on the front side, which is the impact side of the electron beam forms a surface layer 3 made of tantalum is applied.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 befinden sich die Zwischenschicht 2 aus Tantalkarbid und die Oberflächenschicht 3 aus Tantal nur im Bereich der Stirnseite, die in der Röntgenröhre vom Elektronenstrahl bestrichen wird.In the embodiment according to FIG. 2, the intermediate layer is located 2 made of tantalum carbide and the surface layer 3 made of tantalum only in the area of the front side, which is swept by the electron beam in the X-ray tube.

Bei bestimmten Aufgabestellungen kann es gegebenenfalls zweckmäßig sein, auf der Oberflächenschicht aus Tantal noch zusätzliche Schichten zur Steigerung der Wärmefestigkeit oder zur sonstigen Veränderung der Oberflächeneigenschaften, beispielsweise zur Beeinflussung des Reflexionsvermögens, aufzubringen.It may be useful for certain tasks be, on the surface layer of tantalum additional layers for enhancement the heat resistance or other changes to the surface properties, for example to influence the reflectivity.

Claims (5)

AnsprücheExpectations 1. Drehanode für Röntgenröhre, bei der auf einer Graphitunterlage ein Tantalübereug aufgebracht ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf dem Graphitträger (1) eine Zwischenschicht aus Tantalkarbid (2) aufgebracht ist, welche eine Oberflächenschicht (3) aus Tantal trägt.1. Rotating anode for X-ray tubes, in which on a graphite base a tantalum coating is applied, d u r c h e k e n n n n z e i c h n e t that an intermediate layer of tantalum carbide (2) is applied to the graphite support (1) is, which carries a surface layer (3) made of tantalum. 2. Drehanode nach Anspruch 1, d a d u r c h g e-k e n n -z e i c h n e t , daß die Zwischenschicht (2) auf der gesamten Oberfläche des Graphitträgers (1) und die Oberflächenschicht (3) ausschließlich auf der Stirnfläche der Drehanode vorgesehen sind.2. Rotating anode according to claim 1, d a d u r c h g e-k e n n -z e i c h n e t that the intermediate layer (2) on the entire surface of the graphite support (1) and the surface layer (3) exclusively on the end face of the rotating anode are provided. 3. Drehanode nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Zwischenschicht (2) und die Oberflächenschicht (3) ausschließlich im Bereich der Stirnfläche derDrehanode vorgesehen sind.3. Rotary anode according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the intermediate layer (2) and the surface layer (3) exclusively are provided in the area of the end face of the rotating anode. 4. Drehanode nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Oberflächenschicht (3) zusätzlich zur Verbesserung ihrer Getterwirkung ausgebildet ist.4. Rotating anode according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the surface layer (3) in addition to improving its getter effect is trained. 5. Verfahren zur Bearbeitung einer Drehanode nach einem der ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Oberflächenschicht (3) durch anodische Abtragung geglättet wird.5. Method for machining a rotating anode according to one of the claims 1 to 4, d u r c h e k e n n n z e i c h -n e t that the surface layer (3) is smoothed by anodic removal.