DE2816116A1 - Anodenscheibe aus graphit fuer eine roentgenroehre mit rotierender anode - Google Patents
Anodenscheibe aus graphit fuer eine roentgenroehre mit rotierender anodeInfo
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Description
Anodenscheibe aus Graphit für eine Röntgenröhre mit rotierender Anode
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anodenbaueinheit für Röntgenröhren mit rotierender Anode, und sie bezieht
sich insbesondere auf eine Anodenscheibe, die ein Graphitsubstrat umfaßt.
Die Langlebigkeit und Wirksamkeit von Röntgenröhren mit rotierender Anode kann durch Verwendung von Anodenscheiben
verbessert werden, die eine große Wärmeaufnahmekapazität sowie die Eigenschaft haben, die
Wärme rasch abzuleiten. Graphit weist eine außergewöhnlich hohe Wärmekapazität verglichen mit Molybdän
und Wolfram, den anderen zum Herstellen des Substrates der Scheibe benutzten Materialien, auf„ Bei 10000C beträgt
die Wärmekapazität in relativen Einheiten für Graphit zu Molybdän 48:7,4 und Graphit zu Wolfram
48:4,1. Das Strahlungsverhältnis bei 10000C beträgt in beiden Fällen 0,85:0,15. Die Schwierigkeit beim Verwenden
von Graphit als Substratmaterial besteht jedoch in der Verbindung des Anodentargets mit dem Graphitsubstrat.
Bei bekannten Anodenbaueinheiten mit einem Graphitsubstrat sind Zirkonium oder Hafnium als geeignetes Material
zum Verbinden des Anodentargets mit dem Graphitsubstrat
vorgeschlagen. Diese beiden Materialien sind jedoch Carbidbildner und erfordern die Lösung des
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Problems, die Carbidbildung sowohl bei der Verbindung von Target mit Substrat als auch während der Gebrauchsdauer der Anode, die üblicherweise mindestens 10 000
Bestrahlungen beträgt, möglichst gering zu halten. Während der Lebensdauer wird die Anodenbaueinheit Temperaturzyklen
bis zu 12000C ausgesetzt, und dabei ist eine fortgesetzte Carbidbildung möglich. Die mechanischen
Eigenschaften einer in einer solchen Anodenbaueinheit gebildeten Carbidschicht können den Einsatz
der Anodenbaueinheit in Röntgenröhren mit rotierender Anode, die einem thermischen Zyklus mit großer Amplitude
ausgesetzt sind, ausschließen,,
Rhenium ist ebenfalls als Material zum Verbinden des Anodentargets mit dem Graphitsubstrat benutzt worden.
Rhenium bildet bei der Verbindungstemperatur oder der Betriebstemperatur der Röntgenröhre kein Carbid. Die
Löslichkeit des Kohlenstoffes in Rhenium ist jedoch relativ hoch und gestattet die Diffusion des Kohlen stoffes
durch das Rhenium und in das Material des Anodentargets. Durch die Bildung von Wolframcarbid kann
das Material des Anodentargets brüchig werden. Die Betriebsdauer und Wirksamkeit einer solchen Anode ist
daher etwa die gleiche oder eine geringere als die der derzeit vollkommen aus Metall bestehenden Anodenbaueinheiten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Scheibe für Röntgenröhren mit rotierender Anode geschaffen, bei der
ein aus Wolfram oder Wolframlegierung bestehendes Anodentarget mit einem Graphitsubstrat verlötet ist. Die
Lötmaterialien können Platin, eine Platinchromlegierung, Osmium, Palladium, Rhodium oder Ruthenium sein.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen :
Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt einer Scheibenanordnung und
Fig. 2 ein Fließdiagramm verschiedener Verfahren zum Verbinden eines Anodentargets mit einem
Substrat.
In Figur 1 ist eine Anodenbaueinheit 10 gezeigt, die brauchbar ist zum Einsatz in einer Röntgenröhre mit
rotierender Anode. Die Anodenbaueinheit 10 schließt eine Scheibe 12 ein, die mit einem Fuß 14 auf geeignete
Weise verbunden ist, z.B. durch Löten, Schweißen oder dergleichen. Die Scheibe 12 umfaßt ein Graphitsubstrat
15, das einen zentralen Teil 16 und einen
einstückig damit ausgebildeten äußeren Teil 18 umfaßt. Das Substrat 15 weist zwei entgegengesetzte Hauptoberflächen
20 und 22 auf, die die innere bzw. äußere Oberfläche des Substrates bilden. An einem ausgewählten
Oberflächenbereich der äußeren Oberfläche 22 des äußeren Teiles 18 des Substrates 15 ist mittels einer
Metallschicht 26 ein Anodentarget 24 befestigt.
Das Material des Anodentargets 24 ist entweder Wolfram oder eine Wolframrheniumlegierung. Der Rheniumgehalt
kann von 1 bis 25 Gew„% variieren, beträgt jedoch typischerweise 3 bis 10 Gew.%.
Das Material für die Metallschicht 26 ist kein Carbidbildner. Weiter sollte es keine Löslichkeit für den
Kohlenstoff im Bereich der Betriebstemperaturen, die
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in der Größenordnung von etwa 1000 bis etwa 13000C
liegen, aufweisen. Eine partielle Löslichkeit des Kohlenstoffes in dem Material der Metallschicht 26 bei
sehr viel höheren Temperaturen, d.h. bei der Temperatur, die zum Verbinden des Targets 24 mit dem Sub strat
15 angewandt wird, ist zulässig. Eine Löslichkeit von 1 bis 4 Atomprozent Kohlenstoff in dem Material
der Metallschicht 26 ist erwünscht. Das Material der Metallschicht 26 sollte auch eine gewisse Löslichkeit
in Wolfram oder der Wolframlegierung für das Target 24 haben.
Geeignete Materialien für die Metallschicht 26 sind Platin, Palladium, Rhodium, Osmium und Ruthenium. Alle
diese Materialien sind keine Carbidbildner. Darüberhinaus ist jedes dieser Materialien in Wolfram und der
Wolframlegierung des Targets 24 löslich und weist eine geringe Löslichkeit für Kohlenstoff auf. Bei der maximalen
Betriebstemperatur von etwa 1300°C für die rotierende Anode in einer Röntgenröhre ist die Löslichkeit
des Kohlenstoffes praktisch gleich Null in den vorgenannten Materialien für die Metallschicht. Platin,
Palladium, Rhodium, Osmium und Ruthenium bilden mit Kohlenstoff jeweils ein einfaches eutektisches System.
Für kommerzielle Anwendungen sind jedoch Platin und Palladium die einzig praktisch anwendbaren Materialien
für die Metallschicht 26„ Rhodium, Osmium und Ruthenium,
obwohl sie eine höhere Löttemperatur als Platin und Palladium haben, sind derzeit zu teuer, um sie als
Hauptmaterial in der Metallschicht 26 anzuwenden.
Palladium ist geeignet als Material für die Metall schicht 26, da es eine minimale Verbindung^- bzw. eine
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eutektische Temperatur mit Kohlenstoff von 15O4°C und
praktisch keine Löslichkeit für Kohlenstoff bei Temperaturen unterhalb von 13000C aufweist. Unter Verwendung
von Palladium sind ausgezeichnete Bindungen zwischen dem Anodentarget 24 und dem Substrat 15 erhalten
worden. Da jedoch die maximale Betriebstemperatur der Anodenbaueinheit 10 etwa 1300 C beträgt,
bleibt nur eine Sicherheitstemperaturgrenze von 2000C<
Die Zuverlässigkeit der Anodenbaueinheit 10 bei Verwendung von Palladium für die Metallschicht 26 ist
daher geringer als wenn Platin dafür eingesetzt wird.
Das derzeit für die Metallschicht 26 bevorzugte Material ist Platin. Die Temperatur zum Verbinden des
Anodentargets 24 mit dem Graphitsubstrat 15 bei Verwendung
von Platin beträgt etwa 18000C. Die minimale Verbindungstemperatur bzw. die eutektische Temperatur
des Platinkohlenstoffsystems beträgt 1705°C. Dies ergibt
eine größere Sicherheitsgrenze von 400°Cfür den Betrieb der Röntgenröhre. Unterhalb von 15000C weist
die Platinmetallschicht 26 keine Löslichkeit für Kohlenstoff auf. Die Metallschicht 26 aus Platin stellt
daher eine ausgezeichnete Sperre gegen die Kohlen stoffdiffusion in das Anodentarget 24 bei den Betriebstemperaturen
von etwa 1000 bis etwa 13000C dar.
An Stelle von Platin können auch Platinlegierungen eingesetzt werden. Diese Platinlegierungen dürfen jedoch
nicht hohe Konzentrationen von Elementen enthalten, die zu einer Carbidbildung bei der Betriebstemperatur
oder einer zu großen Kohlenstoffdiffusion im Betriebstemperaturbereich der Röntgenröhre Anlaß geben. Ob wohl
Chrom ein Carbidbildner ist, kann es in einer Menge von bis zu 1 Gewö% als Legierungselement zum
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Platin hinzugesetzt werden.
Zur Herstelllang der Metallschicht 26 aus Platin oder einer Platinlegierung können verschiedene Verfahren
angewendet werden. Nach einem Verfahren plattiert man den Graphit. Hierzu wird vorzugsweise ein elektro chemisches
Plattieren angewandt. Die plattierte Schicht weist vorzugsweise eine Dicke von 0,006 bis etwa
0,025 nun auf. Das Platin kann aber auch durch Zerstäuben auf den Graphit aufgebracht werden. Nach dem Aufbringen
des Platins erfolgt eine Wärmebehandlung des plattierten Graphits für etwa 3 Stunden bei 1200+, 20°C
im Vacuum, um den plattierten Graphit zu entgasen.
Die Metallschicht 26 kann auch in Form einer Folie aus Platin oder einer Platinchromlegierung aufgebracht
werden. Die Dicke der Folie hängt allein von der Notwendigkeit ab, eine gute Verbindung sicherzustellen.
Die Folie weist eine Dicke von mindestens etwa 0,012 mm auf. Bei einer geringeren Dicke kann eine unvollständige
Verbindung stattfinden, da aufgrund der Unregelmäßigkeiten auf jeder Oberfläche kein inniger Kontakt
zwischen dem Anodentarget 24 und dem Graphitsubstrat 15 vorhanden gewesen sein könnte. Vorzugsweise weist
die Folie eine Dicke von etwa 0,025 mm auf, um sicherzustellen, daß eine zuverlässige Verbindung durch die
Metallschicht 26 hergestellt ist.
Die Anodenbaueinheit 10 kann in verschiedener Weise hergestellt werden. Nach einem Verfahren wird das Anodentarget
24 auf dem plattierten Graphitsubstrat 15 angeordnet
und bei einer Temperatur von etwa 18000C mit
diesem verbunden* Bei einem zweiten Verfahren setzt
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man erst eine Sandwichstruktur aus Graphitsubstrat 15,
einer Folie aus Platin oder einer Platinchromlegierung und dem Anodentarget 24 zusammen und verbindet das
Ganze dann bei etwa 18000C.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Verbinden des Anodentargets 24 aus Wolfram oder Wolframrheniumlegierung mit
dem Graphitsubstrat schließt das Herstellen einer Sandwichkonfiguration aus platinplattiertem Graphitsubstrat,
einer Folie und dem Anodentarget 24 ein. Die Folie wird auf der plattierten Oberfläche des Graphitsubstrates 15
angeordnet und auf der Folie ordnet man dann das Anodentarget an. Die Bestandteile dieser Sandwichstruktur
werden in geeigneter Weise zusammengehalten, so daß sich die miteinander zu verbindenden Oberflächen in engem
Kontakt miteinander befinden.
So zusammengesetzt werden die Komponenten der Sandwichstruktur in einem Ofen mit einer kontrollierten
Atmosphäre angeordnet. Die bevorzugte Atmosphäre ist Wasserstoff. Der Wasserstoff unterstützt das Benetzen
der zu verbindenden Oberflächen durch Platin. Weiter wirkt der Wasserstoff als Reduktionsmittel für auf den
zu verbindenden Oberflächen vorhandene Oxide.
Die zusammengesetzten Bestandteile der Sandwichstruktur werden anfänglich im kältesten Teil des Ofens angeordnet
und für eine Dauer von bis zu 30 Minuten vorerhitzt, um das Ganze zu akklimatisieren,. Eine Minimalzeit von
10 Minuten ist erwünscht. Nach dem Vorerhitzen bewegt man die Bestandteile der Sandwichstruktur in einen Teil
des Ofens, in dem die Temperatur etwa 1800 + 30°C beträgt. In diesem Bereich hält man die Bestandteile für
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- ίο -
eine Zeit, die ausreicht, die Bestandteile durch Verlöten unter Bildung der Metallschicht 26 miteinander
zu verbinden. Hierfür hat sich eine Zeit von bis zu 10 Minuten als ausreichend erwiesen, wobei etwa 3 Minuten
bevorzugt sind. Nach dem Verlöten wird die Sandwichstruktur nun als Scheibe 12 in eine Abkühlzone des
Ofens bewegt, wo sie eine ausreichende Zeit verbleibt, damit sich die Bestandteile abkühlen und die Schmelze
unter Bildung der Metallschicht 26 erstarren kann. Eine Zeit von etwa einer Stunde hat sich als ausreichend
erwiesen, um die Scheibe ausreichend von einer Temperatur von etwa 10000C in der Abkühlzone abzukühlen,
um die Scheibe anschließend aus dem Ofer^herausnehmen
zu können.
Bei einem Beispiel wurde eine o,025 mm dicke Platinschicht durch elektrochemische Abscheidung auf der
Oberfläche eines Graphitblockes mit einer Dicke von etwa 2,5 cm niedergeschlagen. Das plattierte Substrat
entgaste man 3 Stunden lang bei 1200 +. 200C. Dann
stellte man ein Anodentarget aus Wolfram her und polierte die eine Oberfläche davon metallographisch mit
einem Schleifpapier mit Teilchen von etwa 20 ,u Durchmesser
(entsprechend 600 grit paper). Aus einer Platinfolie stellte man ein etwa 0,025 mm dickes Stück her.
Aus diesen Bestandteilen setzte man eine Sandwich struktur zusammen. Hierfür wurde die Platinfolie auf
der platinplattierten Oberfläche des Graphitsubstrates
angeordnet, während das Anodentarget mit der polierten Oberfläche in Berührung mit der Platinfolie gebracht
wurde. Die so zusammengebauten Bestandteile wurden fest miteinander verklemmt, in einem Molybdän—tiegel
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angeordnet und in das kälteste Ende eines Wasserstoffatmosphäre enthaltenden Rohrofens eingeschoben. Man
ließ die Bestandteile sich für 10 Minuten akklimati sieren und bewegte sie dann in den heißesten Teil des
Rohrofens, in dem die Temperatur mit einem optischen Pyrometer zu 1800 + 300C gemessen wurde. In diesem heißen
Bereich verblieb die Struktur für 3 Minuten, um die Bestandteile miteinander zu verlöten. Dann bewegte man
die verbundenen Bestandteile in eine kühlere Zone des Ofens mit einer Temperatur von 1000 £ 200C und ließ sie
dann von dieser Temperatur weitere 45 Minuten lang im Ofen abkühlen, bevor man sie herausnahm.
Nach dem Herausnehmen aus dem Ofen wurden die verlöteten
Bestandteile visuell untersucht. Die Lötverbindung erschien in Ordnung. Dann verschnitt man die verlötete
Baueinheit und untersuchte die Wolfram/Platin/Kohlenstoff-Grenzflächen. Die Lötverbindung erwies sich als
durch und durch in Ordnungo Man unterwarf verschiedene Abschnitte Biegebelastungen, bis ein Bruch auftrat.
Alle Brüche ereigneten sich im Wolframanodentarget oder im Graphitsubstrat, nie jedoch in der Platin/Wolframoder
der Platin/Graphit-Grenzfläche.
Mit der neuen Scheibe kann man radiographische Tech niken
benutzen, die höhere Energieabgaben für kurze oder längere Zeiten erfordern, ohne daß man ein vorzeitiges
Versagen während des Gebrauches befürchten muß, wie dies bei den bekannten Scheiben der Fall ist. Dadurch,
daß die neue Scheibe höhere Ausgangsleistungen aushält, kann man Patienten während des Röntgens für
eine kürzere Zeit bestrahlen.
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Claims (3)
- 46O9-RD-7765General Electric CompanyPatentansprücheM.J Scheibe für eine Anodenbaueinheit für eine Röntgenröhre mit rotierender Anode,
gekennzeichnet durchein Graphitsubstrat mit zwei entgegengesetzten Hauptoberflächen, welche die innere bzw. äußere Oberfläche des Substrates bilden, wobei das Substrat einen Innen- und einen Außenteil aufweist,ein Anodentarget, das an einem vorbestimmten Oberflächenbereich der äußeren Oberfläche des anfänglichen äußeren Teiles des Substrates befestigt ist, wobei das Material des Anodentargets Wolfram oder eine Wolframrheniumlegierung ist undeine Metallschicht, welche das Anodentarget mit80984 3/07802H IbIdem vorbestimmten Oberflächenbereich der äußeren Oberfläche des äußeren Teiles des Substrates verbindet, wobei das Material für die Metallschicht Rhodium, Osmium, Ruthenium, Platin, Palladium oder eine Platinchromlegierung ist. - 2. Scheibe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß die Platinchronilegierung für die Metallschicht bis zu einem Gewichtsprozent Chrom enthält. - 3. Scheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß das Substrat eine schalenförmige Konfiguration aufweist, wobei der einstückig ausgebildete äußere Teil den sich nach oben erstreckenden Teil der Schale ausmacht und die innere Oberfläche des Substrates die innere Oberfläche der Schale bildet.809843/Ό 78 0
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