DE2852908C2

DE2852908C2 - Drehanodenröntgenröhre

Info

Publication number: DE2852908C2
Application number: DE2852908A
Authority: DE
Inventors: Jan Gerkema; Everhardus Albertus Prof. Eindhoven Muijderman
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-12-09
Filing date: 1978-12-07
Publication date: 1982-12-30
Also published as: CH638340A5; FI783730A; FR2411488A1; AU520629B2; NL7713634A; SE431377B; SE7812544L; BR7808031A; DE2852908A1; JPS6021463B2; IT1101487B; US4210371A; FI68737C; GB2010985B; AU4222178A; ES475798A1; AT361088B; AR216815A1; JPS5487199A; FI68737B

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehanodenröntgenröhre, deren Anode in einem vakuumdichten Gehäuse mit Hilfe mindesteiis eines mit Metall gtschmierten Lagers drehbar angeordnet ist.

Eine derartige Röntgenröhre eignet sich insbesonderc für Verwendung als Strahlungsquelle in Geräten für medizinische Röntgendiagnostik.

Aus der US-PS 22 93 527 ist eine Röntgenröhre der eingangs erwähnten Art bekannt, deren Lagersystem zwei mit Metall geschmierte Kugellager enthält.

Um Verschleiß der Kugellager in einer derartigen Röntgenröhre möglichst zu beschränken, wird die Anode nur dann gedreht, wenn die Röntgenröhre Strahlung liefert. Trotz dieser Maßnahme ist durch die kurze Lebensdauer der Kugellager die Lebensdauer der Röntgenröhre kurz. Die kurze Lebensdauer ist insbesondere dadurch bedingt, daß ein Teil der Wärme, die im Betrieb in der Anode erzeugt wird, von den Lagern abgeleitet wird, wodurch die mittlere Temperatur der Kugellager bis auf etwa 400⁰C sieigt. Außerdem müssen die Kugellager in Vakuum arbeiten. Unter derartigen Bedingungen können die Kugellager nicht ausreichend geschmiert werden, weshalb überdies noch Kugellager verwendet werden, die einen genügenden Spielraum aufweisen, um Festlaufen zu vermeiden. Hierdurch läuft die Röntgenröhre besonders laut, was während einer Untersuchung mit einem Gerät mit einer solchen Röntgenröhre stark stört.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre zu schaffen, die eine höhere Lebensdauer hat und weniger Laufgeräusche erzeugt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst. Durch diese Anordnung der Spiralrillen tritt eine bessere Verteilung des Schmiermittels im Lager auf, und bei der Rotation ergibt sich dadurch neben einer großen Belastbarkeit eine hohe dynamische Stabilität.

Vorzugsweise dient als Schmiermittel Gallium oder eine Gallium-Legierung, die das Metall der Tragflächen molekular benetzt und deren Schmelzpunkt bei einer Temperatur unter 30⁰C liegt.

Unter Molekularbenetzung der Tragfläche durch die Ga- oderGa-Legierungsschicht sei hier eine Benetzung verstanden, bei der zwischen den Metallatomen in der Tragfläche und den Atomen in der Ga- oder Ga-Legierungsschicht eine direkte Wechselwirkung besteht. Eine derartige Benetzung der Tragflächen, die vorzugsweise aus einem der Metalle W und Mo oder aus einer Legierung von W und Mo bestehen, durch Ga (Gallium) oder durch die Ga-Legierung ist so gut, daß die Tragflächen unter Belastung des Lagers in der Röhre durch die Ga- oder die Ga-Legierungs-Schicht völlig voneinander getrennt sind. Sowohl beim Still

stand als auch bei der Drehung des Lagers wud die Schicht nicht aus dem Luger hcrausgestaut, wodurch ein Festlaufen des Lagers vermieden wird und sowohl Verschleiß als auch Lärnierzeugung des Lagers stark reduziert sind. Das Rotieren der Anode braucht jetzt nicht mehr unterbrochen zu werden, wenn die Röhre keine Strahlung aussendet, sondern kann für längere Zeit, beispielsweise einen Arbeitstag lang, ununterbrochen weitergehen, und der Röhrenstrom kann zu jedem gewünschten Augenblick ein- und ausgeschaltet werden. Das Antriebssystem kann dabei für eine niedrigere Leistung ausgelegt sein, weil die Anode nicht kurzfristig auf ihre Nenndrehzahl beschleunigt und wieder abgebremst werden muß. Im Betrieb kann sowohl der Röhrenstrom als auch die Wärme, die durch den aufallenden Elektronenstrom in der Anode erzeugt wird, vom Lager gut geleitet werden, weil Ga und Ga-Legierungen ebenfalls gute Elektrizitäts- und Wärmeleitungseigenschaften besitzen, auch bei den Temperaturen und den Drucken, denen sie in einer Röntgenröhre unterworfen sind.

Da die Temperatur einer Röntgenröhre in einer Anlage für medizinische Röntgendiagnostik in der Praxis meist zumindest 30°C beträgt, ist die Ga-Legierung im Lager der Röntgenröhre nach der Erfindung in der Praxis flüssig, so daß sie ohne Vorheizung gestartet werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise anhand eier Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der in Fig. 1 dargestellten Linie H-Il und

Fig. 3a bis 3d sehr schematisch mögliche Grenzschichtkonfigurationen bei der Wechselwirkung zwischen einer zu benetzenden Metalloberfläche und einer Ga-Legierung mit einem niedrigen Schmelzpunkt und Dampfdruck.

Fig. 1 zeigt eine Röntgenröhre 1 mit einer Drehanode 2, die zusammen mit einem Rotor 3 mit Hilfe einer Gegenmutter 4 auf einer Welle 5 befestigt ist, die mit einem vakuumdichten Gehäuse 6 mit Hilfe zweier Lager 7 und 8 drehbar angeordnet ist. Das Lager 7 besteht aus einem kugelförmigen Teil 9, der mit der Welle 5 fest verbunden und in ein kugelförmig ausgenommenes Tragorgan 10 aufgenommen ist. Einander gegenüberliegende Flächen des kugelförmigen Teils 9 und des Tragorgans 10 bilden Tragflächen des Lagers 7 und schließen einen Lagerspalt U ein. Der Lagerspalt 11 ist mit einer als Schmiermittel dienenden Ga- oder Ga-Legierungs-Schicht gefüllt, die die Tragflächen der aus Mo hergestellten Lagerteile 9 und 10 molekular benetzt. Diese Benetzung ist so gut, daß diese Flächen unter Belastung in der Röhre völlig voneinander getrennt sind. Der kugelförmige Teil 9 ist mit einem Rillenmuster 12 versehen, das bei der Drehung der Welle 5 in Pfeilrichtung das Schmiermittel in Richtung auf die Kuppe der Kugel aufstaut.

Weiterhin ist der kugelförmige Teil 9 mit einem zweiten Rillenmuster 13 versehen, deren Rillen denen des Rillenmusters 12 entgegengesetzt verlaufen und also Schmiermittel in der anderen Richtung stauen. Durch diese Rillenmuster besitzt das Lager bei der Rotation neben einer zusätzlich großen Belastbarkeit in radialem und axialem Sinne eine hohe dynamische Stabilität. Das Tragorgan 10 ist in einem zylindrischen Bauteil 14 befestigt, der mit Hilfe einer vakuumdichten

Verbindung 15 in einer muldenförmigen Vertiefung 16 des Gehäuses 6 befestigt ist. Der Bauteil 14 ist weiterhin mit einem Kontaktstift 17 für die Zuführung des Röhrenstroms und für die Ableitung e'ncs Teils der Wärme versehen, die im Betrieb in der Anode erzeugt wird.

Das Lager8 besteht aus einem kegelförmigen Teil 18, der mit der Welle 5 fest verbunden und in ein kugelförmig ausgenommenes Tragorgan IS aufgenommen ist. Die einander gegenüberliegenden Flächen des kegelförmigen Teils 18 und des Tragorgans 19 bilden die Tragflächen des Lagers 8 und schließen einen Lagerspalt 20 ein. Der Lagerspalt 20 ist mit einer als Schmiermittel dienenden Ga- oder Ga-Legierungs-Schicht gefüllt, die die Tragflächen der aus Mo hergestellten Lagerteile 18 und 19 molekular benetzt. Diese Benetzung ist so gut, daß sie unter Belastung in der Röhre völlig voneinander getrennt sind. Der kegelförmige Teil 18 ist auf gleichartige Weise wie der 'kugelförmige Teil 9 mit zwei Rillenmustern 21 und 22 versehen, die das Schmiermittel in entgegengesetztem Sinn in den Lagerspalt 20 stauen. Das Lager 8 besitzt hierdurch neben einer zusätzlich großen Belastbarkeit in radialem und axialem Sinne eine hohe dynamische Stabilität. Das Tragorgan 19 ist in einem zylindrischen Bauteil 23 in axialer Richtung mit Hilfe einer Tellerfeder 24 und in radialer Richtung mit drei Stahlkugeln 25 (siehe auch F i g. 2) und einem Federelement 26 federnd eingeschlossen.

Die Kugeln 25 sind in zylindrischen öffnungen 27 im Bauteil 23 aufgeschlossen und werden mit Federzuagen 28, die am Federelement 26 befestigt sind, in radialem Sinne an das Tragorgan 19 gedrückt. Die axiale Federung mit Hilfe der Tellerfeder 24 dient zum Aufnehmen von Längenänderungen der Welle 5 durch wechselnde Temperaturen in der Röhre. Die radiale Federung mit Hilfe des Federelementes 26 sorgt dafür, daß die Welle 5 bei Unwucht der Drehanode zur Vermeidung zusätzlicher Kräfte auf die Lager eine Präzessionsbewegung über eine Kegeloberfläche ausführen kann, deren Spitze im mathematischen Mittelpunkt 29 des kugelförmigen Teils 9 des Lagers 7 liegt. Das Bauteil 23 ist mit einer vakuumdichten Verbindung 30 in einer muldenförmigen Vertiefung 31 des Gehäuses 6 befestigt.

Eine hier nicht näher beschriebene Kathode 32 ist mit zwei Kontaktstifen 33 und 34 elektrisch verbunden, die in einem Bauteil 35 angebracht sind, das mit einer vakuumdichten Verbindung 36 in einer muldenförmigen Vertiefung 37 des Gehäuses 6 befestigt ist. Zwischen den Kontaktstiften 33 und 34 wird die Kathodenheizspannung zugeführt, während der Röhrenstrom über einen dieser Stifte abgeleitet wird. Erzeugte Röntgenstrahlung kann die Röhre durch das Fenster 38 verlassen.

Geeignete Ga-Legierungen für die Füllung der Lagerspalte 11 und 20 sind beispielsweise die zwei binären eutektischen Zusammensetzungen 76 Ga —

24 In und 92Ga - 8 Sn, die bei !6,5⁰C bzw. 20,0⁰C schmelzen (mit den Zahlen vor den chemischen Symbolen werden Gewichtsprozent bezeichnet). Auch ist die ternäre eutektische Zusammensetzung 62 Ga —

25 In — 13 Sn geeignet, die bei 5°Cc schmilzt.

Fig. 3a zeigt eine Grenzschicht zwischen einem Metall 41 und einer Ga-Legierung 42. Das Metall 41 ist wie in einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre durch die Ga-oer Ga-Legierungs-Schicht 42 molekular benetzt. Es ist eine direkte Wechselwirkung zwischen Metallatomen und Atomen aus Ga- oder aus der Ga-Legierung möglicht. Vorzugsweise ist das Metall 41 eines der Metalle W, Mo, Ta oder Nb, weil diese Metaüe nicht oder nur in geringem Maße von der Ga-Legierung angegriffen werden. Metalle wie Cu, Messung, Fe, rostfreier Stahl und Ni we.:den hierdurch stark angegriffen. Oberflächen, die aus diesen letzten Metallen hergestellt sind, quellen daher auf, wenn sie mit Ga oder mit einer Ga-Legierung molekular benetzi sind. In Fig.3b, 3c und 3d sind Grenzscnichten zwischen ίο einem Metall 41 und Ga oder einer Ga-Legierung 42 dargestellt, wobei nicht von Molekularbenetzurg die Rede ist, weil zwischen diesen Schichten eine Oxidschicht vorhanden ist. Derartige Benetzungen eignen sich nicht für Verwendung in einem Gleitlager in der erfindungsgemäßen Röntgenröhre, weil sowohl beim Stillstand als auch bei der Rotation der Lager in der Röntgenröhre Ga oder die Ga-Legierung aus den Lagern herausgestaut wird. Hierdurch berühren sich die Tragflächen mechanisch miteinander, wodurch im Betrieb ein starker Verschleiß auftritt und sich die Tragflächen sogar miteinander verschweißen können (auch mit ,Fressen« bezeichnet), so daß die Lager festlaufen können.

F i g. 3b zeigt eine Grenzschicht zwischen einem Metall 41, das mit einer Metalloxidschicht 43 und einer Ga-oder Ga-Legierungs-Schicht 42 bedeckt ist, die von der Schicht 43 durch eine Schicht oxidierter Ga-Legierung 44 getrennt ist. Die Ga- oder Ga-Legierungs-Schicht 42 ist jetzt nicht in direktem Kontakt mit dem w Metall. Die Benetzung ist mäßig, die Schichten kleben aneinander, was sich aus nachstehendem Versuch ergibt. Eine eloxierte Al-Achse mit einem Durchmesser von 20 mm zeigt nach der Benetzung mit eine Ga-Legierung die in der Fig.3b dargestellte Grenzschichtkonfigurai"> tion. Mit Hilfe eines Ringes mit einem Innendurchmesser, der um 10 Mikrometer größer als der Durchmesser der Achse ist, wird die Ga-Legierung von der Achse abgeschoben. Eine gleichmäßige Benetzung erfolgt an Oberflächen oxidischer Materialien wie Glas und Quarz. Fig. 3c zeigt eine Grenzschicht zwischen einem Metall 41 und einer Ga- oder Ga-Legierungs-Schicht 42, die durch eine Schicht oxidierte(s)r Ga oder Ga-Legierung 44 von der Schicht 41 getrennt ist. Die Ga-Legierung 42 ist nicht in direktem Kontakt mit dem Metall 41. Die Benetzung ist mäßig und der für die Grenzschichtkonfiguration nach F i g. 3b vergleichbar. Fig.3d zeigt eine Grenzschicht zwischen einem Metall 41, das mit einer Metalloxidschicht 43 und einer Ga-oder Ga-Legierungs-Schicht 42 bedeckt ist. In diesem Fall tritt gar keine Benetzung auf. Gleiches gilt für ein oxidisches Material wie Glas oder Quarz. Ein Glasstab wird von einer oxidfreien Ga-Legierung nicht benetzt.

Die einzige der Grenzschichtkonfigurationen nach Fig.3a bis 3d, die sich für Verwendung im Lager der Röntgenröhre nach der Erfindung eignet und in F i g. 3a dargestellt ist, kann dadurch verwirklicht werden, daß die Metalloberfläche 41 und das Ga oder die Ga-Legierung 42 getrennt in einer reduzierenden Umgebung, beispielsweise in Ib-Gas, einige Zeit bei 800⁰C erhitzt werden. Möglicherweise vorhandene Oxide werden dabei reduziert. Werden anschließend in der gleichen reduzierenden Umgebung, gegebenenfalls bei ^iner niedrigeren Temperatur, die Metalloberfläche

b5 und das Ga oder die Ga-Legierung miteinander in Kontakt gebracht, so wird die Metalloberfläche sehr gut benutzt und zeigt die Grenzschicht die dargestellte Konfiguration.

Auch kann die Metalloberfläche 41 in einer reduzierenden Umgebung, beispielsweise Hj-Gas, einige Zeit bei 800⁰C erhitzt und danach in der gleichen reduzierenden Umgebung, gegebenenfalls bei einem stark herabgesetzten Druck, mit einer Au-Schicht mit einer Dicke von etwa 1 μιτι bedeckt werden. Die Oberfläche kann jetzt, weil Au dabei nicht oxidiert, an der Luft bei einer viel niedrigeren Temperatur in Ga oder in einer Ga-Legierung eingetaucht werden. Wird vor dem Eintauchen eine möglicherweise vorhandene Oxidschicht auf dem Ga- oder auf der Ga-Legierung einfach weggeschoben, beispielsweise mit einem Spatel, so wird die Au-Schicht mit einer oxidfreien Ga- oder Ga-Legierungs-Schicht bedeckt. Die Au-Schicht bildet mit Ga eine flüssige Ga-Au-Legieriing, wodurch das Ai gleichsam in dem Ga oder in der Ga-Legierung auflöst Es wird so ein sehr guter direkter Kontakt zwischen dei Metalloberfläche und dem Ga oder der Ga-Legierunj gebildet. Die Ga-Au-Legierung bildet eine Verunreinigung in dem Ga oder in der Ga-Legierung, aber sie isi nur gering, weil die auf der Metalloberfläche angebrachte Au-Schicht so dünn ist.

Es sei bemerkt, daß auch andere abschließende Oberschichten nicht oder nur langsam an der Lufi oxidierender Metalle oder Metallegierungen für Ver Wendung im beschriebenen Verfahren in Betrachi kommen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Drehanodenröntgenröhre, deren Anode in einem vakuumdichten Gehäuse (6) mit Hilfe mindestens eines mit Metall geschmierten Lagers (7 bzw. 8} drehbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (7 bzw. 8) ein Gleitlager mit Spiralnnen ist, das in Richtung auf die Drehachse des Lagers gesehen zwei Gruppen (12, 13 bzw. 21, 22) vo»Spiralrillen enthält, die beide im Betrieb das Metallschmiermittel in das Lager hineinsiauen.