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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bekannt sind ferner Drehanoden, bei denen nacheinander zwei verschiedene,
jeweils chemisch aus der Gasphase abgeschiedene Metallüberzüge auf einer Graphitunterlage
angeordnet sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.