NL8420251A - Draaibare anode voor een roentgenbuis en een roentgenbuis met een dergelijke anode. - Google Patents

Description

· 8 4 2 0 2 5 1 N.O. 33639 j

Draaibare anode voor een rëntgenbuis en een rëntgenbuis met een dergelijke anode.

Technisch gebied

De uitvinding heeft betrekking op rëntgenbuizen en in het bijzonder gaat het daarbij om een draaibare anode voor een rëntgenbuis en een rëntgenbuis met een draaibare anode.

Stand van de techniek 5 Volgens de stand van de techniek is een draaibare anode voor een rëntgenbuis bekend, die is voorzien van een schijf met een zwartingsbe-kleding op het oppervlak daarvan, die bestaat uit aluminiumoxide en titaandioxide (vergelijk het Duitse octrooi nr. 2.443.345 van 5 april 1979), welke bekleding op het schijfoppervlak is neergeslagen door mid-10 del van een plasma-sproeimethode.

De oxide-bekleding vertoont een lage stralingsfactor die ongeveer 0,3 is, omdat de oxiden die voor het voortbrengen van de bekleding worden gebruikt, een witte kleur hebben en een toename van de stralingsfactor van de anode met een dergelijke bekleding slechts het gevolg is 15 van de ruwheid van gesmolten deeltjes. Bovendien vertoont de oxide-laag een lage warmtegeleiding.

Om een sterke bekleding uit oxiden voort te brengen kunnen methoden die afwijken van de plasma-sproeimethode niet worden toegepast. De toepassing van deze techniek vereist echter het gebruik van verfijnde 20 apparatuur en hoge temperaturen die boven het smeltpunt van het bekle-dingsmateriaal liggen, zodat de werkwijze voor het aanbrengen van een bekleding gepaard gaat met het breken van de structuur en het smelten van poedervormige deeltjes, dus met een verslechtering van de eigenschappen van zowel uitgangsmaterialen als de uiteindelijke bekleding.

25 Interne spanningen aan het oppervlak van de draaibare anode die worden veroorzaakt door warmte-schokken gedurende het aanbrengen van de bekleding en die het gevolg zijn van een wezenlijk verschil tussen de coëfficiënten van thermische uitzetting van de materialen van de schijf en bekleding, hebben scheuren die in de bekleding verschijnen en het 30 scheiden van de deeltjes van de bekleding gedurende de rotatie van de anode tot gevolg.

Tijdens bedrijf kan uit de oxide-bekleding zuurstof vrij komen, die deel uitmaakt van de oxiden, zodat ongunstige voorwaarden voor de werking van een kathode worden geschapen.

35 Gezien het voorgaande resulteert de toepassing van de bekende ano de in rëntgenbuizen in een betrekkelijk laag vermogen en een korte le- 84 20 2 5 I' EU: 0 090 b18 2 » ' vensduur van de rbntgenbuizen.

De levensduur werd verlengd en het vermogen van de rèntgenbuis werd verhoogd door het verbeteren van de stralingsfactor van het oppervlak van de draaibare anode tijdens bedrijf van de röntgenbuis door 5 middel van de toepassing van een draaibare anode met een schijf die vervaardigd is uit een molybdeemlegering die koolstof bevat en die een focusseringsgebied van wolfraam heeft, of een wolfraamlegering met een zwartingsbekleding uit twee lagen op het oppervlak daarvan. De buitenste basislaag van het oppervlak bestaat bij deze bekende anode uit di-10 verse oxiden of uit een mengsel van verscheidene metalen en verscheidene oxiden en de tussengelegen laag die zich tussen de schijf en de basislaag bevindt en die 10 tot 200 xm dik is, is vervaardigd uit molyb-deen en/of wolfraam (vergelijk Franse octrooiaanvrage 2.521.776, gepubliceerd 19 augustus 1983).

15 Eigenschappen van de bekleding (sterkte en stralingsfactor) van een dergelijke anode werden gedurende de werking van de rbntgenbuis gestabiliseerd door het aanbrengen van het tussengelegen metaal met een hoog smeltpunt, dat ten dele de verschillen tussen fysische en mechanische eigenschappen van de materialen van de schijf en de basisbekle-20 dingslaag compenseert.

Ondanks de voordelen van dit ontwerp, wordt het daardoor niet mogelijk gemaakt om de karakteristieken van de rbntgenbuizen met een der-gelijke anode wezenlijk te verbeteren, vanwege de nadelen die behoren bij draaibare anoden met een zwartingsbekleding die de boven beschreven 25 oxiden bevat.

Bovendien is de werkwijze voor het vervaardigen van de bekende anode gecompliceerd, aangezien deze gepaard gaat met het aanbrengen van diverse lagen, zodat de werkwijze zeer duur is.

Samenvatting van de uitvinding 30 De uitvinding is gebaseerd op het probleem om te voorzien in een draaibare anode voor een rèntgenbuis die voorzien is van een bekleding met een samenstelling en structuur die een grote mechanische sterkte en hoge stralingsfactor vertoont en ook om te voorzien in een rbntgenbuis met een dergelijke anode, waarbij de rbntgenbuis zodanig is dat het ho-35 ge vermogen en de lange levensduur daarvan tijdens bedrijf moet worden gewaarborgd.

Dit probleem wordt bij een draaibare anode voor een rèntgenbuis die bestaat uit een schijf waarvan het oppervlak tenminste ten dele is voorzien van een zwartingslaag die een metaal bevat, volgens de uitvin-40 ding opgelost, doordat de zwartingsbekleding een gesinterde poreuze sa- 1420 251' EU: 0 090 618 3 menstelling bevat van titaankorrels, hoofdzakelijk van dendritische structuur met een afmeting van 0,5 tot 150 -un en tenminste een metaal met een hoog smeltpunt dat boven 2500°C ligt, waarbij de hoeveelheid van het metaal met een hoog smeltpunt in de samenstelling 5 tot 60 5 gew.% bedraagt. Indien de anodeschijf uit een metaal met een hoog smeltpunt is vervaardigd, is het metaal dat voor de bekleding wordt toegepast, bij voorkeur het metaal met een hoog smeltpunt van de anodeschijf.

Het is bekend dat de stralingsfactor van het oppervlak van een 10 draaibare anode van een rèntgenbuis afhangt van kleur en ruwheid van het oppervlak daarvan, alsmede van de porositeit van de oppervlakte-laag.

Doordat een uit metaal componenten bestaande bekleding slechts op het oppervlak van een draaibare anode volgens de uitvinding aanwezig 15 is, is het mogelijk om het oppervlak een kleur te geven die donkerder is dan de kleur van een oppervlak dat bekleed is met oxiden (Al2^3 en Ti02).

Het oppervlak dat uit een gesinterde metaal samenstel 1ing is vervaardigd, vertoont een wezenlijk hogere stralingsfactor vergeleken met 20 het oppervlak van gesmolten oxiden, aangezien de structuur en fysisch-mechanische eigenschappen van de componenten van de samenstelling niet nadelig worden beïnvloed tijdens het sinteren bij een temperatuur die niet hoger ligt dan 1200°C.

Bovendien wordt volgens de uitvinding de stralingsfactor van het 25 oppervlak van de draaibare anode verbeterd dankzij de grotere ruwheid en hogere porositeit van de oppervlaktelaag als gevolg van de dendritische structuur van titaankorrels, die gekenmerkt is door een onregelmatige vorm bij een groot oppervlak en door een groot aantal onderlinge aanrakingspunten, waarbij de titaankorrels met elkaar, met het materi-30 aal met een hoog smeltpunt en het materiaal van de schijf bij deze punten worden gebonden tijdens het sinterproces.

Om de levensduur te verlengen en het vermogen van een rbntgenbuis te verhogen, worden de draaibare anoden volgens de uitvinding bij voorkeur in de rbntgenbuizen toegepast.

35 Door de toepassing van de draaibare anode volgens de uitvinding in een röntgenbuis wordt de levensduur verlengd en het vermogen van de rfentgenbuis met 1,3-1,6 maal verhoogd dankzij een afname van de anode-temperatuur tijdens de werking van de buis, hetgeen wordt bereikt door het verbeteren van de stral ingsfactor van de anodebekleding. Anderzijds 40 kan door het verlagen van de anodetemperatuur de dikte en dus de massa 14 20 2 5 1 EU: 0 090 618 4 van de draaibare anode worden verminderd bij een gegeven nominaal vermogen van de rbntgenbuis, zodat de belasting op de lagers wordt verminderd, de levensduur daarvan wordt verlengd en de levensduur van de buis als geheel.

5 De levensduur van een rbntgenbuis met de draaibare anode volgens de uitvinding wordt ook verlengd dankzij de grote sterkte van de zwar-tingsbekleding die zonder beschadiging bestand is tegen hoge mechanische belastingen (rotatie met een snelheid van 9000 toeren per minuut en hoger) en hoge thermische belastingen (1000°C).

10 Extra voordelen van de uitvinding zijn de volgende: - de mogelijkheid van de bekleding om vacuömtoestanden in een rbntgenbuis te verbeteren, hetgeen ook een bijdrage levert aan de verlenging van de levensduur daarvan; - een hoger werkrendement van röntgenapparatuur vanwege een korte-15 re tijdsperiode die nodig is voor het afkoelen van de anode en de reductie van perioden van buiten werking zijn; - lagere vervaardigingskosten van de draaibare anode en dus van de buis als geheel dankzij een lager gewicht van het metaal van de anode, die uit dure materialen is vervaardigd.

20 De uitvinding zal hierna aan de hand van in bijgaande tekeningen geïllustreerde uitvoeringsvormen worden beschreven; in de tekening toont: figuur 1 een dwarsdoorsnede van een draaibare anode voor een rönt-genbuis volgens de uitvinding; 25 figuur 2 een rbntgenbuis, gedeeltelijk in doorsnede, met een draaibare anode volgens de uitvinding.

Bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvorm van de uitvinding

Een draaibare anode voor een röntgenbuis die in figuur 1 is getoond, bestaat uit een schijf 1 met een zwartingsbekleding 2 op het op-30 pervlak daarvan. De bekleding 2 kan op een gedeelte van het oppervlak van de schijf 1 worden aangebracht, zoals in figuur 1 is getoond, of deze kan op het gehele oppervlak worden aangebracht met uitzondering van een focussen'ngsgebied.

De bekleding 2 is gevormd uit een gesinterde poreuze samenstelling 35 van titaankorrels, hoofdzakelijk van dendritische structuur met een afmeting van 0,5 tot 150^11 en tenminste een metaal met een hoog smeltpunt dat hoger ligt dan 2500°C, waarbij de hoeveelheid van het metaal met een hoog smeltpunt in de samenstelling 5 tot 60 gew.% bedraagt.

Deze gesinterde samenstelling is gekenmerkt door een grote sterk-40 te, afmetingstabiliteit en ongewijzigde eigenschappen van de uitgangs- ΕΌ:\θ 090^618 5 componenten. De hoge porositeit en de sterkte van de bekleding 2 zijn ook het gevolg van het feit dat titaankorrels van diverse afmetingen van 0,5 tot 150 -un worden gebruikt voor het bereiden van de samenstelling.

5 Indien de korrel grootte van het titaan kleiner is dan 0,5yi#m, is de porositeit van de bekelding 2 minder, aangezien de korrelvorm dichter de bol configuratie benadert, hetgeen een compactere structuur vertoont.

Anderzijds kunnen bij titaankorrels die groter zijn dan 150^m, 10 deeltjes van de bekleding 2 worden gescheiden van de anode, indien de laatstgenoemde met een hoge snelheid (9000 toeren per minuut of hoger) roteert.

Tevens is de sterkte van de bekleding 2 ook van groot belang voor de anodeparameters en deze sterkte is ook verbeterd dankzij de overeen-15 komst tussen fysisch-mechanische eigenschappen van de materialen van de schijf 1 en de bekleding 2 en in het bijzonder de overeenkomst van de van thermische uitzettingscoefficienten daarvan. Dit wordt bereikt door toepassing van de bekleding 2 die slechts uit metalen bestaat en door het gebruik van een metaal met een hoog smeltpunt in de samenstel-20 ling van de bekleding.

Doordat in de bekleding een metaal met een hoog smeltpunt van meer dan 2500°C wordt toegepast, wordt een goede cohesie tussen het materiaal van de bekleding 2 en de anode bereikt, aangezien het anodemateri-aal in het algemeen ook een metaal is met een smeltpunt dat hoger ligt 25 dan 2500°C. In dit geval is het metaal met een hoog smeltpunt in de samenstelling van de zwartingsbekleding 2 het metaal waaruit de schijf 1 van de anode is vervaardigd. Indien bijvoorbeeld de anodeschijf 1 uit wolfraam is vervaardigd, wordt ook wolfraam als metaal met een hoog smeltpunt voor de bekleding gebruikt. Indien de schijf 1 van de anode 30 is vervaardigd of samengesteld uit legeringen van metalen met een hoog smeltpunt, verdient het de voorkeur om in de samenstelling van de zwartingsbekleding 2 mengsels van metalen met een hoog smeltpunt in combinatie met titaan toe te passen, teneinde te verzekeren dat de fysisch-mechanische eigenschappen van de bekleding 2 overeenkomen met 35 de fysisch-mechanische eigenschappen van het materiaal waaruit de anodeschijf 1 is vervaardigd. Indien bijvoorbeeld de anodeschijf 1 uit mo-lybdeen en wolfraam is vervaardigd, moet de zwartingslaag molybdeen en wolfraam als componenten met een hoog smeltpunt bevatten.

Bovendien wordt het door de toepassing van het component met een 40 hoog smeltpunt mogelijk gemaakt om de anode te behandelen bij een tem- 8420 251 EU: 0 090 618 6 peratuur tot 1200°C, teneinde voorwaarden te scheppen voor het verkrijgen van een sterke bekleding die bestand is tegen de anodesnelheid van : 9000 toeren per minuut of hoger.

Door de aanwezigheid van een metaal met een hoog smeltpunt in de 5 samenstelling wordt verhinderd, dat titaankorrels smelten, teneinde een sterk poreuze structuur van het anode-oppervlak te verkrijgen. Opgemerkt wordt dat in het geval de samenstelling minder dan 5 gew.% van een metaal met een hoog smeltpunt bevat, titaankorrels tijdens het bedrijf van de röntgenbuis kunnen smelten met als gevolg een verslechter-10 de porositeit en dus verslechtering van de zwartingseigenschappen van de oppervlaktelaag van de draaibare anode. Indien de hoeveelheid van het metaal met een hoog smeltpunt groter is dan 60 gew.%, zal de porositeit van de laag hoofdzakelijk worden bepaald door de dendritische structuur van titaankorrels en zal ook worden verlaagd.

15 Figuur 2 toont een röntgenbuis met een anodesamenstel 3, bevatten de een draaibare anode in de vorm van de anodeschijf 1 met de zwar-tingsbekleding 2, waarbij de as 4 van de schijf in lagers 5 draaibaar is ondersteund, en een kathodesamenstel 6 met een kathodekop 7. Alle bovengenoemde componenten zijn afgesloten in een afgedichte glasballon 20 8.

Tijdens bedrijf van de röntgenbuis draait het anodesamenstel 3 met een snelheid van 3000-9000 toeren per minuut en wanneer een groeidraad-spanning op de kathode wordt aangesloten, welke groei draad zich in de kathodekop 7 bevindt, worden elektronen vrijgegeven en door een elek-25 trisch veld tussen het anodesamenstel 3 en de kathodekop 7 versneld.

De elektronen die-op de anodeschijf 1 botsen, wekkenr röntgenstraling op. Bij een energie van voldoende hoogte van elektronen wordt ook een karakteristieke röntgenstraling opgewekt, die afhankelijk is van het anodemateriaal; de anodeschijf 1 wordt dus tot een temperatuur van 30 ongeveer 1000°C verwarmd.

Het aanbrengen van de bekleding 2 op de anodeschijf 1 verbetert de stralingsfactor van het oppervlak, vanwege de ruwheid daarvan en de poreuze structuur en donkere kleur van metalen waaruit de bekleding is opgebouwd, en de anodetemperatuur wordt verlaagd tot 750-800°C bij de-35 zelfde werkvoorwaarden van de röntgenbuis, zodat het vermogen van de buis kan worden verhoogd.

Tijdens bedrijf van de röntgenbuis wordt de draaibare anode blootgesteld aan veel warmte en mechanische belastingen.

De levensduur van röntgenbuizen wordt hoofdzakelijk bepaald door 40 de duurzaamheid van de draaibare anode en de levensduur van de lagers $4 20 251 EU: 0 090 618 7 daarvan, aangezien de levensduur van deze onderdelen veel korter is dan die van de andere componenten. De levensduur van de anode wordt verlengd en het vermogen van een rëntgenbuis met een dergelijke anode wordt verhoogd door de verbetering van fysisch-mechanische eigenschap-5 pen van het anode-oppervlak. Anderzijds kan de levensduur van de lagers van de draaibare anode bij een bepaald vermogen worden verlengd door het verlagen van de massa van de draaibare anode.

Voor een rëntgenbuis werd een schijf 1 voor een draaibare anode die in figuur 1 is getoond, vervaardigd uit wolfraam met een diameter 10 van 100 mm en een dikte van 3,5 mm en op het oppervlak van de schijf 1 werd de bekleding 2 aangebracht, die 70 gew.% van een mengsel van ti-taankorrels, in hoofdzaak van de dendritische structuur en met een afmeting van 5 tot 150//tn en 30 gew.% wolfraam bevatte.

Voor het vervaardigen van de bekleding 2 werd een mengsel van uit-15 gangscomponenten grondig mechanisch geroerd en op het oppervlak van de schijf 1 door middel van een geschikte bekende methode aangebracht. De anodeschijf 1 met de daarop aangebrachte bekleding 2 werd daarna in een vacuhmoven geplaatst, die geëvacueerd werd tot een druk van maximaal 1.3 . 10“3 pa, waarna een graduële temperatuurstijging in de oven 20 werd toegepast.

Tijdens de verwarming werd een constante besturing van de druk in de vacuëmoven uitgevoerd, waarbij de drukwaarde ligt beneden 1.3 . ΙΟ"* Pa gedurende de temperatuurstijging. Wanneer de temperatuur van 800°C werd bereikt, werd de oven tot een druk van maximaal 25 1,3 . 10“3 Pa geëvacueerd. Gedurende de verdere temperatuursstij- ging tot 1000°C op welke temperatuur de bekleding werd gesinterd, overschreed de druk in de vacuëmoven niet de waarde van 1,3 . 10“^ Pa.

Na afkoelen en verwijderen uit de oven had de anode een vlak ruw donkergrijs oppervlak.

30 De porositeit van de uiteindelijke bekleding was 68% gemeten door middel van de weegmethode.

De stralingsfactor van de uiteindelijke bekleding werd bepaald volgens de Stefan-Boltzmann wet en was 0,7.

Andere uitvoeringsvormen van de uitvinding en onderzoekresultaten 35 zijn opgenomen in de verge!ijkingstabel (porositeit en stralingsfactor), die eigenschappen van de zwartingssamenstellingen voor de bekleding van de schijven uit wolfraam, molybdeen en RTM (rhenium, wolfraam, molybdeen) illustreert.

Afhankelijk van specifieke aan rëntgenbuizen gestelde eisen kan de 40 anodeschijf 1 voorzien zijn van de bekleding volgens de uitvinding, die 8 4 2 Ö 2 & f EU: 0 090 618 8 op een gedeelte van het oppervlak of over het gehele oppervlak met uitzondering van een focussen'ngsstrook is aangebracht.

Tabel 5 Vergelijking van eigenschappen (porositeit en stralingsfactor) van zwartingsbekledingen van diverse samenstellingen op schijven_ schijfmateriaal bekledingssamen- stralings- porositeit van de draaibare stelling in factor E % 10 anode_gew.%_ W Ti - 95 W - 5 0,65 64

Ti - 70 W W - 30 0,70 68 15 Ti - 40 W W - 60 0,60 61

Ti - 70

Mo Mo - 30 0,69 68

Ti - 70 j 20 RTM W - 15

Mo - 15 0,68 68

Door het vervaardigen van de anode volgens de uitvinding is het 25 mogelijk om de temperatuur daarvan gedurende de werking van de rbntgen-buis met 200-300°C te verlagen ten opzichte van de anode zonder bekleding en met 100-150°C ten opzichte van de anode met een bekleding met de verbindingen van het type Al2Ο3 of TiO£·

Verge!ijkingsonderzoeken van rbntgenbuizen die voorzien zijn van 30 de met oxiden beklede anodes en de anodes vervaardigd volgens de uitvinding, onder diverse rbntgenonderzoektoestanden toonden aan dat het nominale vermogen van de rbntgenbuizen met de anodes volgens de uitvinding 1,3-1,6 maal hoger was.

Bij onderzoeken van de rbntgenbuizen onder rbntgenonderzoektoes-35 tanden met waarnemingsschoten, werd de temperatuur van de anode volgens de uitvinding gelijk gemaakt aan die van de anode met de oxidebekle-ding, waarna een aantal foto's werden gemaakt. Na het derde schot was de temperatuur van de anode volgens de uitvinding gestabiliseerd en overschreed niet de opgewekte temperatuur voorafgaand aan het begin van 40 de reeks schoten. Tegelijkertijd nam de temperatuur van de anode met de 64 2 0 2 ai ΐ EU: 0 090 618 * 9 oxidebekleding toe, zodat het noodzakelijk was de werking van de rbnt-genbuizen op regelmatige intervallen te onderdrukken om deze te laten afkoelen.

Door toepassing van anodes volgens de uitvinding is het mogelijk 5 om rèntgenbuizen toe te passen die voorzien zijn van een draaibare RTM-anode met een massa van 0,7 kg, die draait met een snelheid van 9000 toeren per minuut ten behoeve van diagnostische tomografie.

Na de onderzoeken van de rbntgenbuis met de draaibare anode volgens de uitvinding werd om de levensduur te bepalen, de buis geopend om 10 de kwaliteit van de bekleding van de draaibare anode te beoordelen.

Het microscopische onderzoek toonde de afwezigheid van mechnische beschadigingen en het smelten van de bekleding aan.

Industriële toepasbaarheid

Rbntgenbuizen met de draaibare anode volgens de uitvinding kunnen 15 worden gebruikt bij de geneeskunde voor diagnostiek en tomografie en ook bij diverse industriën, zoals mechanisch ontwerpen, het ontwerpen van instrumenten, metallurgie en andere industriën voor scheurdetec-tie.

Dankzij de bovengenoemde voordelen kan de uitvinding in elke in-20 richting worden gebruikt, die voorzien is van componenten waarvan het oppervlak warmtestralingseigenschappen moet vertonen.

© ^ & u £ 3 | EU: 0 090 618

Claims (3)

1. Draaibare anode voor een rbntgenbuis, omvattende een schijf (1) waarvan het oppervlak tenminste ten dele is voorzien van een zwartings-bekleding (2) die een metaal bevat, met het kenmerk, dat de zwartings-5 bekleding (2) is gevormd uit een gesinterde poreuze samenstelling van titaankorrels, hoofdzakelijk van dendritische structuur en met een afmeting van 0,5 tot 150 -un en tenminste een metaal met een hoog smeltpunt boven 2500°C, waarbij de hoeveelheid van het metaal met een hoog smeltpunt in de samenstelling 5 tot 60 gew.% bedraagt.

2. Draaibare anode volgens conclkusie 1, waarbij de schijf (1) is vervaardigd uit een metaal met een hoog smeltpunt, met het kenmerk, dat het metaal met een hoog smeltpunt van de bekleding (2) het metaal van de schijf (1) van de anode is.

3. Rèntgenbuis omvattende een draaibare anode, met het kenmerk, 15 dat de draaibare anode vervaardigd is volgens conclusie 1. ******* 1420 25 1 EU: 0 090 618