Drehanode für Röntgenröhren

Abstract

 Die Erfindung betrifft die Verwendung einer 0,1 - 15 Gew.% Hafnium, 0,1 - 15 Gew.% Zirkonium und 0,01 - 1,0 Gew.% Kohlenstoff enthaltenden Molybdän-Legierung in Drehanoden für Röntgenröhren. Es ist bereits die Verwendung einer Reihe von Molybdän-Legierungen für Röntgendrehanoden bekannt. Die Forderungen vor allem an die thermische Belastbarkeit von Drehanoden werden jedoch durch neue Röntgentechniken laufend erhöht. Die erfindungsgemäße Legierung entspricht den Forderungen nach geringer Neigung zur Rißbildung und/oder Verwerfung sowie zur Oberflächen-­Aufrauhung von Drehanoden, einschließlich solchen mit Brennbahnzonen aus Wolfram und Wolframlegierungen, auch noch bei gegenüber derzeit üblichen Grenzwerten um bis zu etwa 200°C höheren Arbeitstemperaturen in hohem Maβe.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Drehanode für Röntgenröhren, bestehend aus einem Grundkörper aus einer Molybdän-Legierung.

[0002] Die einer Drehanode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung zugeführte elektrische Energie wird nur zu etwa 1 % in Röntgenstrahlen umgesetzt. Die restlichen 99 % werden in Wärme umgesetzt.
Materialien für Drehanoden müssen daher zur Erzeugung der jeweils benötigten Röntgenstrahlung geeignet sein und gleichzeitig eine hohe Warmfestigkeit aufweisen.

[0003] Wolfram weist sowohl einen sehr hohen Schmelzpunkt als auch eine hohe Ordnungszahl im periodischen System auf und hat sich daher als Material für die Röntgenstrahlen erzeugende Brennfleckbahn bzw. für den Grundkörper von Drehanoden sehr gut bewährt. Der Nachteil von Wolfram ist jedoch, daß es nur sehr schwer verformbar ist und außerdem ein sehr hohes spezifisches Gewicht aufweist, so daß die Beschleunigung und Abbremsung derartiger Drehanoden nur verhältnismäßig langsam erfolgen kann. Desgleichen sind die bei der Rotation auftretenden Fliehkräfte sehr groß, wodurch die höchstzulässige Drehzahl dieser Drehanoden vergleichsweise niedrig ist.

[0004] Um diese Nachteile zu vermeiden ist man in der Vergangenheit dazu übergegangen, nur mehr die Röntgenstrahlen abgebende Brennfleckbahn der Drehanode aus Wolfram oder einer Wolfram/Rhenium-Legierung herzustellen und den Grundkörper der Drehanoden aus Molybdän oder Molybdän-­Legierungen, die wesentlich leichter als Wolfram sind, herzustellen. Aus der AT-PS 248 555 ist es beispielsweise bekannt, eine Legierung auf Molybdän-Basis mit Zusätzen von 0,5 - 50 % von Wolfram, Tantal, Niob, Rhenium und/oder Osmium für den Grundkörper von Drehanoden zu verwenden. Bei hoher Beanspruchung dieser Drehanoden wirkt sich jedoch der Unterschied in den thermischen Ausdehnungen zwischen dem Grundkörper aus der Molybdän-Legierung und der Brennfleckbahn aus Wolfram oder Wolfram-­Legierung nachteilig aus und kann die Ursache zur Entstehung von Rissen in der Brennfleckbahn sein, die sich bis in den Grundkörper hinein erstrecken können.

[0005] Die AT-PS 257 751 beschreibt eine Drehanode für Röntgenröhren mit einem Grundkörper aus einer Molybdän-Legierung, die 0,05 - 1,5 Gew.% Titan und gegebenenfalls noch zusätzlich bis zu 0,5 Gew.% Zirkon oder 0,3 Gew.% Kohlenstoff enthält. Diese Molybdän-Legierung ist als TZM bekannt. Durch die Verwendung von TZM als Material für den Grundkörper konnte die Neigung zur Rißbildung wesentlich herabgesetzt werden.

[0006] Nachteilig bei dieser Art von Drehanoden ist es jedoch, daß es mit der Zeit zu einem Verzug der Brennbahn kommen kann. Dieser Verzug tritt umso häufiger und schwerwiegender auf, je höher die Betriebstemperatur der Drehanode liegt und je größer der Durchmesser der Drehanode ist. Durch diesen Verzug, der so gering sein kann, daß er mit dem bloßem Auge nicht erkennbar ist, kommt es zu einer verringerten Ausbeute der Röntgenstrahlung, da ein Teil der Röntgenstrahlung an der Peripherie des Röntgenstrahlfensters abgeschnitten wird.

[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drehanode für Röntgenröhren zu schaffen, bei der der Grundkörper aus einer Molybdän-­Legierung besteht und gleichzeitig bekannte Probleme für diese Legierung, wie Rißbildung oder ein Verziehen der Drehanode, vermieden werden.

[0008] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Molybdän-Legierung aus 0,1 - 15 Gew.% Hafnium, 0,1 - 15 Gew.% Zirkonium, 0,01 - 1,0 Gew.% Kohlenstoff, Rest Molybdän, besteht.

[0009] In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Molybdän-Legierung aus 0,1 - 2,0 Gew.% Hafnium, 0,1 - 2,0 Gew.% Zirkon, 0,01 - 0,5 Gew.% Kohlenstoff, Rest Molybdän.

[0010] Die Legierung entsprechend der Erfindung weist gegenüber einer TZM-Legierung verbesserte mechanische Eigenschaften auf, die vor allem auch bei den Betriebstemperaturen von Drehanoden im Bereich zwischen etwa 1000°C und 1500°C wesentliche Festigkeits-Verbesserungen der Drehanode bewirken.

[0011] Um die verbesserte mechanische Festigkeit der Legierung entsprechend der Erfindung gegenüber TZM, gerade bei den beim Betrieb von Drehanoden auftretenden Temperaturen zu zeigen, wurden im Beispiel 1 entsprechende Zugfestigkeitstests an Probestäben aus diesen Legierungen ausgeführt.

[0012] Die Zusammensetzungen der Legierungen wurden im Beispiel 1 variiert und bewegten sich im Fall der Legierung für den Grundkörper der erfindungsgemäßen Drehanode im Bereich von 0,4 - 0,7 Gew.% Zr, 0,15 - 1,2 Gew.% Hf, 0,05 - 0,15 Gew.% C und im Fall der TZM-Legierung im Bereich von 0,5 Gew.% Ti, 0,08 Gew.% Zr, 0,01 - 0,04 Gew.% C. Die Probestäbe wurden durch Pressen und Sintern der Ausgangspulver und anschließendes Heißschmieden zur vollständigen Verdichtung hergestellt. Meßlängen-Durchmesser der Probestäbe 2,5 mm, Durchmesser der Einspannköpfe 5 mm, Meßlänge 10 mm, Meßlängen-Rauhigkeit R_a= 1,6 µ. Die Messungen wurden in einem Warmzerreißofen mit Kaltwandkessel unter H₂ als Schutzgas, TP kleiner als -35°C, durchgeführt.

[0013] Die Rekristallisations-Temperatur der Legierung entsprechend der Erfindung liegt um 150 bis 250°C höher als bei einer TZM-Legierung. So ist nach einer einstündigen Glühung bei 1350°C TZM bereits teilrekristallisiert, die Legierung entsprechend der Erfindung dagegen erst bei Temperatur über 1500°C.

[0014] Durch die Verwendung der Legierung entsprechend der Erfindung für den Grundkörper von Drehanoden kann daher die Betriebstemperatur der Drehanoden wesentlich erhöht werden, ohne daß es durch frühzeitige Rekristallisation zu einem Steilabfall der mechanischen Festigkeit kommt.

[0015] Aufgrund der erhöhten Rekristallisations-Temperatur ergibt sich eine wesentlich erhöhte Wechselfestigkeit im Betriebstemperaturbereich der Drehanoden. Selbst im Falle einer Rekristallisation ist die Wechselfestigkeit der Legierung entsprechend der Erfindung gegenüber TZM verbessert, da das Gefüge der Legierung entsprechend der Erfindung nach der Rekristallisation wesentlich feinkörniger anfällt als bei TZM. Aufgrund dieser Eigenschaften wird die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Drehanoden wesentlich erhöht.

[0016] Der bedeutendste Vorteil, der sich durch die Verwendung der Legierung entsprechend der Erfindung für den Grundkörper für Drehanoden ergibt, ist die in diesem Ausmaß überraschende, praktisch vollständige Vermeidung von Verzugserscheinungen der Drehanoden, sowohl während der Fertigung als auch während des Betriebes. Die aussagefähigste Größe für den Verzug der Drehanoden ist dië Kriechstabilität des Basiswerkstoffes.

[0017] Zur Demonstration der hervorragenden Kriechfestigkeit der Legierung für den Grundkörper der erfindungsgemäßen Drehanode wurden im Beispiel 2 Kriechbruchzeiten und minimale Kriechgeschwindigkeiten im Vergleich zu TZM ermittelt.

[0018] Die Kriechfestigkeits-Messungen im Beispiel 2 wurden an gleichartigen Probestäben wie bei den Zugfestigkeits-Messungen im Beispiel 1 im gleichen Ofen, unter denselben Bedingungen durchgeführt. Die Probestäbe wurden während der Fertigung teilweise einer Wärmebehandlung unterzogen.

[0019] Die vorzugsweise Herstellung der erfindungsgemäßen Drehanoden kann auf bekannte Weise durch Verbundpressen, -sintern und -schmieden der Ausgangsmaterialien für den Grundkörper und für die Brennbahn oder auch durch Verbindungsschmieden des Grundkörpers und des Brennbahnbelages, die getrennt gepreßt, gesintert und geschmiedet wurden, erfolgen.

[0020] Bei diesem Herstellungsverfahren kommt besonders bei Drehanoden mit einem Brennbahnbelag aus Wolfram oder einer Wolfram/Rhenium-Legierung als Vorteil der erfindungsgemäßen Legierung zum Tragen, daß ihr erhöhter Formänderungs-Widerstand dem des für die Brennbahn verwendeten Wolfram bzw. Wolfram/Rhenium-Materials sehr nahekommt, wodurch das bei bekannten Drehanoden ungünstige, unterschiedliche Fließverhalten der Werkstoffe für Brennbahn und Grundkörper angeglichen wird. Infolge der angenäherten Warmfestigkeits- und Warmstabilitätswerte kann auch die Fertigung der Drehanoden verbessert, d.h. die notwendige Wärmebehandlung bei höherer Temperatur durchgeführt werden, da praktisch kein Kompromiß mehr zwischen zwei unterschiedlich warmfesten Werkstoffen erforderlich ist. Durch geeignete Wahl der Temperaturen und der Zeiten der Wärmebehandlung unter Berücksichtigug der Umformgrade und der Umformgeschwindigkeiten bei der Herstellung der Drehanode ist eine wesentliche Verbesserung der Warmfestigkeits-, Stabilitäts- und Ermüdungseigenschaften gegenüber bekannten Ausführungen, insbesondere gegenüber Drehanoden aus bekannten Molybdän-Legierungen, zu erreichen. Damit sind neben der hervorragenden Verzugsfestigkeit der erfindungsgemäßen Drehanoden weitere wesentliche Eigenschafts-Verbesserungen erreichbar.

[0021] Das bedeutet zum einen eine Qualitäts- und Funktionsverbesserung von Röntgen-Drehanoden in bekannten Einrichtungen, erlaubt zugleich aber auch die kommerzielle Anwendung der erfindungsgemäßen Drehanoden für neue Techniken, wie die Computer-Tomografie, für die Drehanoden mit vergleichsweise sehr großen Abmessungen benötigt werden.

Ansprüche

1. Drehanode für Röntgenröhren, bestehend aus einem Grundkörper aus einer Molybdän-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdän-Legierung aus 0,1 - 15 Gew.% Hafnium, 0,1 - 15 Gew.% Zirkon, 0,01 - 1,0 Gew.% Kohlenstoff, Rest Molybdän besteht.

2. Drehanode für Röntgenröhren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdän-Legierung aus 0,1 - 2,0 Gew.% Hafnium, 0,1 - 2,0 Gew.% Zirkon, 0,01 - 0,5 Gew.% Kohlenstoff, Rest Molybdän besteht.

3. Drehanode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Molybdän-Legierung für den Grundkörper auch für die Drehanodenwelle verwendet wird.