DE4026647A1

DE4026647A1 - Hartgeloetete anoden-baueinheit einer roentgenroehre

Info

Publication number: DE4026647A1
Application number: DE4026647A
Authority: DE
Inventors: Paul Uchechukwu Ujari
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-09-27
Filing date: 1990-08-23
Publication date: 1991-04-04
Also published as: NL9002102A; NL193706C; US4993054A; JPH0695453B2; NL193706B; JPH03152841A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Verbinden einer Anoden- Baueinheit für eine Röntgenröhre. Mehr im besonderen be zieht sie sich auf das Verbinden eines Schaftes oder Bolzens für ein Röntgen-Anodentarget mit dem Verbindungs stück bzw. der Nabe eines Rotorteiles, wozu eine Hoch temperatur-Hartlotlegierung benutzt wird.

Eine Hauptkomponente einer üblichen Röntgen- und compute risierten Tomographie-Ausrüstung ist eine Röntgenröhre, die die Quelle der Röntgenstrahlen darstellt. Solche Röhren enthalten ein Vakuum von 1,33 × 10^-6 bis 1,33 × 10^-7 Pa (10^-8 bis 10^-9 Torr) und arbeiten durch Beschleu nigen eines Elektronenstromes von einer erhitzten Kathode durch eine Hochspannung gegenüber einer Targetanode mit hohem Schmelzpunkt. Da nur etwa 1% der Elektronenenergie nach diesem Verfahren in Röntgenstrahlen umgewandelt wird, während die übrigen 99% in Wärme umgewandelt werden, entsteht in der Anode eine beträchtliche Wärme als Nebenprodukt der Erzeugung von Röntgenstrahlen.

Um die Wärmekonzentration in der Anode zu vermindern, wird die Anode mit Geschwindigkeiten von bis zu 10 000 U/min rotiert, wodurch ununterbrochen eine neue und kältere Oberfläche der Kathode präsentiert wird. In einer Röntgen röhre hoher Leistungsfähigkeit kann die Oberfläche der Anode Temperaturen von 3200°C erreichen und Flächen der Anode außerhalb der unmittelbaren Targetoberfläche können auf Temperaturen von etwa 1300°C ansteigen.

Baueinheiten aus Rotor und Verbindungsstück in Röntgen röhrenanoden sind häufig aus hochschmelzenden Metall legierungen zusammengesetzt, wie Molybdän, Niob, Titan, Zirkonium und Nickel. Diese Metalle und andere sind in unterschiedlichen Mengen in verschiedenen Komponenten der Baueinheiten enthalten. Zum Beispiel kann eine Ver bindungsstückkomponente die Legierungsmetalle in ge wissen Mengen enthalten, ein Bolzen oder Rotorschaft in anderen Mengen und eine Befestigungsmutter wiederum in anderen Mengen. Der Zweck der Benutzung verschiede ner Legierungen besteht darin, eine hohe Rate der Wärme verteilung sowie die Erfüllung der Leistungsanforderungen zu bewirken. Das Verbinden dieser Komponenten für die Rotor-Verbindungsstück-Baueinheiten präsentiert ein Problem des genauen Anpassens der thermischen Eigen schaften einer Hartlotlegierung, die als Füllstoff material dient mit denen der zu verbindenden, hochschmel zenden Metall-Legierungen. Die hartgelötete Verbindung muß nicht nur jegliche Fehlanpassung in den thermischen Eigenschaften der Komponententeile, sondern auch eine mechanische und thermische Integrität der Baueinheit bewirken. Das Anodentarget wiegt bis zu 2,27 kg und rotiert bei 10 000 U/min. Die Betriebstemperatur der Anode kann an der Verbindungsstelle von Bolzen zu Ver bindungsstück bis zu 1000°C reichen. Um eine zuver lässig hartgelötete Verbindung unter diesen Umständen zu bewirken, muß die Hartlotlegierung ausgezeichnete Hochtemperatur-Festigkeit und Duktilität aufweisen.

Hartlot-Füllstoffmetalle, die in der Industrie gewöhn lich für diese Anwendungsart benutzt werden, schließen Gold, Silber und Legierungen auf Kupferbasis ein. Die Probleme mit diesen Füllstoffmaterialien unter den obengenannten Bedingungen sind die folgenden:
Schlechtes Benetzen und Fließen auf einigen oder allen der zu verbindenden Komponentenmaterialien, was zu Hohlräumen und anderen Fehlern führt,
geringe Duktilität, die zur Rißbildung beim Abkühlen der hartgelöteten Verbindung führt, wobei sehr hohe Spannungen auch auf den Komponententeilen erzeugt werden, die häufig ebenso zu deren Reißen führen,
Bildung dispergierter, spröder intermetallischer Phasen und
Liquidustemperaturen, die nicht viel oberhalb von 1000°C liegen und so die Betriebstemperatur der Baueinheit während des Betriebes begrenzen.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Hartlotverbinden eines Bolzenteiles eines Drehanodentargets mit einem Verbindungsstück eines Rotorteiles zum Gebrauch in einer Röntgenröhrenanode. Bei diesem Prozeß wird eine Metall- Legierung (die Hartlotlegierung) mittels Wärme an einer gemeinsamen Verbindungsstelle des Schaftteiles und des Verbindungsstücks aufgebracht. Die Hartlotlegierung ist zusammengesetzt in Gew.-% aus 30 bis 70 Kupfer, 10 bis 55 Palladium und 5 bis 28 Nickel.

In einer Ausführungsform ist das Kupfer in einer Menge im Bereich von 50 bis 60 Gew.-%, das Palladium in einer Menge im Bereich von 40 bis 45 Gew.-% und das Nickel in einer Menge im Bereich von 10 bis 15 Gew.-% vorhanden. Die Metall-Legierung wird bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1200°C aufgebracht.

Vorzugsweise ist das Kupfer in einer Menge von etwa 50 Gew.-%, das Palladium in einer Menge von etwa 40 Gew.-% und das Nickel in einer Menge von etwa 10 Gew.-% vor handen. Die Metall-Legierung wird bei einer Temperatur von etwa 1185°C aufgebracht.

Es wird auch ein verbessertes Röntgen-Drehanodentarget geschaffen, bei dem ein Rotorschaft an einem Rotor- Verbindungsstück befestigt ist, wobei sowohl das Schaft teil als auch das Verbindungsstück aus hochschmelzenden Metallen zusammengesetzt sind. Das Befestigen des Rotor schaftes am Rotor-Verbindungsstück wird teilweise mittels einer Metallbindung bewirkt, die aus der oben beschrie benen Hartlotlegierung zusammengesetzt ist.

Vorzugsweise ist auch ein mit Gewinde versehener Teil auf dem Rotorschaft und eine Mutter zum Befestigen des Schaftteiles am Verbindungsstück vorhanden, wobei die Metall-Legierung jegliche Hohlräume in dem Gewindeab schnitt ausfüllt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Metallverbinden eines Schaftteiles eines Anodentargets mit einem Verbindungsstück eines Rotor teiles in einer Röntgenröhrenanode zu schaffen, bei dem die erhaltene Metallbindung Festigkeit und Duktilität bei hoher Temperatur aufweist.

Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden von Komponenten für eine Röntgenröhrenanode mittels Metall zu schaffen, wobei die eingesetzte Hartlotlegierung sehr gut benetzt und eine hohe Liquidustemperatur aufweist.

Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung einer verbesser ten Anoden-Baueinheit für eine Röntgenröhre, bei der ein Schaft-(Bolzen)-Teil eines Anodentargets an einem Abschnitt eines Verbindungsstückes des Rotorteils be festigt ist, was zu einer Anode führt, deren Verbindung zwischen Bolzen und Verbindungsstück bei Temperaturen oberhalb von 1000°C eingesetzt werden kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Anoden-Baueinheit für eine Röntgen röhre, die zusätzlich zu einer Gewindeverbindung in dem Gewindebereich metallgebunden ist durch die oben be schriebene Hartlotlegierung.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine typische Röntgenröhre mit Drehanode im Schnitt, bei der das neue Hartlotlegierungsmaterial der vorliegenden Erfindung benutzt wird,

Fig. 2 die Bestandteile in auseinandergezogener Sicht, die mit dem Hartlotmaterial der Erfindung miteinander hartgelötet werden sollen,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht im Schnitt, die die Teile im hartgelöteten Zustand zeigt und

Fig. 4 ein Flußdiagramm, das die Stufenfolge beim Gebrauch des Hartlotmaterials der Erfindung veranschau licht.

In Fig. 1 ist eine typische Röntgenröhre allgemein mit 10 bezeichnet. Sie schließt ein rotierendes Verbindungs stück 11 sowie ein rotierendes Schaftteil 12 ein, die mit dem Hartlotmaterial dieser Erfindung verbundene Be standteile sind. Es gibt das übliche Drehtarget 14, auf dem ein Elektronenstrahl vom Emissionsdraht 15 auftrifft. Leiter 17 und 18 liefern die erforderliche Spannung an den Draht 15. Die Röntgenröhre weist den üblichen Glas kolben 20 sowie Rotor 22 auf, der zum Beispiel durch Hartlöten mit dem Verbindungsteil 11 verbunden ist. Der Rotor 22 ist drehbar durch den Lagerträger 24 im Glas kolben 20 montiert. Hochspannung wird durch eine nicht gezeigte Zuführungsleitung, die mit einem Leiter 26 gekoppelt ist, der Anode 14 zugeführt. In der Zeichnung sind auch weggelassen die Statorspulen zum Antrieb des Rotors 22 (und damit die gesamte Rotor-Baueinheit 11, 12, 14) als einem Induktionsmotor.

In Fig. 2 und 3 ist das Hartlotlegierungsmaterial in Form zweier Vorformen vorhanden. Eine ist ein Dichtungs ring 28 und die andere eine Spirale 33. Die Zusammen setzung des neuen Hartlotmaterials in diesen Vorformen besteht aus 50 Gew.-% Kupfer, 40 Gew.-% Palladium und 10 Gew.-% Nickel. Die Scheibe 28 hat eine genügende Größe, um über den mit Gewinde versehenen Abschnitt 31 des Bolzens 12 zu passen und an einem Teil 35 mit größe rem Durchmesser anzuliegen. In einem solchen Fall be findet es sich sandwichartig zwischen dem Teil 35 mit größerem Durchmesser und dem Verbindungsstück 11, wenn der mit Gewinde versehene Abschnitt 31 durch die zen trale Öffnung 38 des Bolzenteiles 11 geführt ist, und dann wird die Mutter 30 auf das Gewinde 31 geschraubt.

In Fig. 4 ist in Form eines Flußdiagramms die Stufen folge der Benutzung der Hartlotzusammensetzung der Er findung bei der Verbindung des Bolzenteiles 12 und des Verbindungsstücks 11 gezeigt. Block 40 weist daraufhin, daß das Verbindungsstück 11 und der Bolzenteil 12 lösungsmittel-gereinigt und bei oder oberhalb der Hart lottemperatur entgast werden, um alle Gase zu entfernen. Block 41 veranschaulicht, daß die Hartlotzusammensetzung zu den Vorformen in Form des Ringes 28 und der Spirale 33 gebracht wird. Nach Block 42 wird der Ring 28 über dem Gewindeteil 31 angeordnet und der Gewindeabschnitt 31 durch die Öffnung 38 des Verbindungsstückes 11 ge führt. Die Mutter 30 wird auf den Gewindeabschnitt 31 bis zu einem Drehmoment von 3,39 Nm geschraubt. Danach wird die Vorform 33 in die Vertiefung 37 der Mutter, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, eingelegt.

Gemäß Block 43 führt man die zusammengebaute Einheit aus Verbindungsstück 11 und Bolzen 12 (vergl. Fig. 2) in einen Vakuumofen ein und auf eine Keramikbefestigung, wobei die Vertiefung 37 der Mutter nach oben ragt. Gemäß Block 44 wird dann ein Vorerhitzen und Hartlöten im Vakuum ausgeführt. Dies erfolgt durch Erhitzen des Ofens mit 25°C/min bis zu einer Temperatur von 600°C. Eine Haltezeit von 15 Minuten wird bei der Temperatur von 600°C eingelegt. Dann steigert man die Temperatur mit 25°C/min bis 1000°C erreicht sind. Bei dieser Temperatur hält man wiederum für 15 Minuten. Danach er höhte man die Temperatur mit 50°C/min bis die Tempe ratur von 1100°C erreicht ist, die man 5 Minuten lang hält. Dann erhöht man die Temperatur mit 50°C/min bis eine Maximaltemperatur von 1185°C erreicht ist, die man 3 Minuten lang hält. Das Hartlöten der Komponenten findet bei dieser Temperatur statt. Nach diesem Hart löten erfolgt ein Abkühlen mit gesteuerter Leistung, was im Block 45 veranschaulicht ist. Dieses Abkühlen er folgt mit einer Rate von 15°C/min, bis die Temperatur auf 1100°C vermindert ist. Das nachfolgende Abkühlen erfolgt mit 8°C/min auf 1000°C. Im Block 46 ist ein Vakuumabkühlen dargestellt, bei dem die Leistung abge schaltet ist und das für eine genügende Zeit ausge führt wird, bis das Teil gehandhabt werden kann. Danach wird, wie Block 47 zeigt, die Kammer erneut mit Stick stoffgas gefüllt. Die letzte Stufe besteht, wie Block 48 veranschaulicht, darin, die fertig hartgelötete Bau einheit herauszunehmen.

In Fig. 3 ist das Hartlotmaterial, nachdem es wie oben beschrieben, behandelt worden ist, in Form von Tüpfeln 29 dargestellt. Der Ring 28 ist geschmolzen und durch Diffusion mit den Legierungen, die den benachbarten Bolzen 12 und das benachbarte Verbindungsstück 11 bilden, vermischt. Nach dem Erstarren nimmt die Scheibe den mit 27 bezeichneten Raum ein. Die Spiral-Vorform 33 ist auch geschmolzen worden, und das Hartlotmaterial ist zwischen den Gewindeteilen 31 des Bolzens oder Schaftes 12 und den Gewindeteilen 32 der Mutter 30 verteilt und nimmt den Raum zwischen Bolzen 12 und Verbindungsstück 11 ein.

Schliffbilder der hartgelöteten Baueinheit zeigen, daß sich keine Materialien einer zweiten Phase in der hart gelöteten Verbindung befinden, was bedeutet, daß die Verbindung ein homogenes einphasiges Gefüge hat, das frei ist von dispergierten intermetallischen Phasen. Darüber hinaus ist die Abwesenheit von Separation oder Reißen in der Verbindungsstelle selbst auf einem mikro skopischen Niveau ein weiterer Beweis dafür, daß die Hartlotlegierung ausgezeichnete Benetzung und hohe Liquidustemperatur mit Festigkeit und Duktilität bei hoher Temperatur kombiniert. Und dies wird ermöglicht mit Bestandteilen, die aus bei hoher Temperatur bestän digen Materialien hergestellt sind, die außerordentlich unterschiedliche Zusammensetzungen haben.

Das Bolzenteil 12 ist in diesem Fall aus einer als TZM bekannten Metall-Legierung zusammengesetzt, die vom Metallwerk Plansee, Österreich, erhältlich ist. Der Hauptanteil der Legierung ist Molybdän mit untergeord neten Mengen von Titan und Zirkonium wie folgt:

Material
Gew.-%
Mo
99,25
Ti	0,4-0,55
Zr	0,06-0,12

Das Verbindungsstück 11 aus einer als Hastelloy B₂ be kannten Metall-Legierung zusammengesetzt, die erhält lich ist von Haynes International in Kokomo, Indiana. Der Hauptanteil der Legierung ist Nickel mit unterge ordneten Mengen an Molybdan und Eisen wie folgt:

Material
Gew.-%
Ni
Rest
Mo	28,00 ± 2,0
Fe	2,00 max

Die Mutter 30 ist aus einer als Kovar bekannten Metall- Legierung zusammengesetzt, die von Carpenter Technology erhältlich ist. Der Hauptanteil der Legierung ist Eisen mit untergeordneten Mengen an Nickel und Kobalt wie folgt:

Material
Gew.-%
Fe
53,00
Ni	29,00
Co	17,00

Mit den erwarteten höheren Anforderungen an Leistungs fähigkeit und Temperaturbeständigkeit für Röntgenröhren komponenten bietet die Hartlotlegierungs-Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung Betriebsbedingungen bis zu 1100°C, verglichen mit 900°C für die früheren Röntgen röhren. All dies wird ermöglicht mit einer Legierung, die in einer Minimalzahl von Legierungs-Vorformen benutzt werden kann, was sie von den für diesen Zweck bekannten Legierungen unterscheidet.

Obwohl die Hartlotlegierung der vorliegenden Erfindung in Form einer Spirale oder eine Dichtungsringes gezeigt worden ist, ist klar, daß viele Formen des Materials benutzt werden können, wie ein kontinuierlicher Draht, Stab, eine dünne flexible homogene Folie, Pulver oder sogar als Belag.

Claims

1. Verfahren zum Verbinden eines Bolzens eines Drehanodentargets mit einem Verbindungsstück eines Rotor teiles zur Verwendung in einer Anode einer Röntgenröhre, umfassend die Stufen:
Verbinden eines Bolzenteiles für ein Anoden target mit einem Verbindungsstück für ein Rotorteil,
Aufbringen einer Metall-Legierung auf das Bolzenteil und den Abschnitt des Verbindungsstückes an einer gemeinsamen Verbindungsstelle mittels Wärme, wo bei die vorhandene Metall-Legierung in Gew.-% umfaßt: 30 bis 70 Kupfer, 10 bis 55 Palladium und 5 bis 28 Nickel.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Kupfer
in einer Menge im Bereich von 50 bis 60, das Palladium
in einer Menge im Bereich von 40 bis 45 und das Nickel
in einer Menge im Bereich von 10 bis 15 vorhanden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Kupfer in einer Menge von etwa 50, das Palladium in einer Menge von etwa 40 und das Nickel in einer Menge von etwa 10 vorhanden ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Metall- Legierung bei einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1200°C aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Metall- Legierung bei einer Temperatur von etwa 1185°C auf gebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Verbinden des Bolzenteiles mit dem Abschnitt des Verbindungsstücks mittels eines mit Gewinde versehenen Abschnittes auf dem Bolzenteil und einer Mutter zum Befestigen des Bol zenteiles am Verbindungsstück bewirkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Aufbringen der Metall-Legierung mittels Wärme durch ein Hartlöten bewirkt wird.

8. Verbessertes Drehanodentarget, bei dem ein Rotor-Bolzenteil (12) an einem Verbindungsstück (11) befestigt ist, wobei sowohl das Bolzenteil als auch das Verbindungsstück aus hochschmelzenden Metallen zu sammengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung des Rotor-Bolzenteiles (12) an dem Verbindungsstück (11) teilweise eine Metallbindung umfaßt, die aus einer Metall-Legierung zusammengesetzt ist, die die folgenden Metalle in den angegebenen Bereichen in Gew.-% ein schließt: 30 bis 70 Kupfer, 10 bis 55 Palladium und 5 bis 28 Nickel.

9. Röntgentarget nach Anspruch 8, bei dem Kupfer in einer Menge im Bereich von 50 bis 60, Palladium in einer Menge im Bereich von 40 bis 45 und Nickel in einer Menge im Bereich von 10 bis 15 vorhanden sind.

10. Röntgentarget nach Anspruch 8, worin die Metall-Legierung etwa 50 Gew.-% Kupfer, etwa 40 Gew.-% Palladium und etwa 10 Gew.-% Nickel umfaßt.

11. Röntgentarget nach Anspruch 8, weiter ein schließend einen mit Gewinde versehenen Abschnitt (31) auf dem Bolzenteil und mit einer Mutter (30) zum Be festigen des Bolzenteiles an dem Verbindungsstück.

12. Röntgentarget nach Anspruch 11, worin der Rotorbolzen (12) mit einer Hauptmenge an Molybdän, das Rotor-Verbindungsstück (11) mit einer Hauptmenge an Nickel und die Mutter (30) mit einer Hauptmenge an Eisen zusammengesetzt ist.