WO2014134644A1 - Röntgenkathodenfilament - Google Patents

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WO2014134644A1
WO2014134644A1 PCT/AT2014/000043 AT2014000043W WO2014134644A1 WO 2014134644 A1 WO2014134644 A1 WO 2014134644A1 AT 2014000043 W AT2014000043 W AT 2014000043W WO 2014134644 A1 WO2014134644 A1 WO 2014134644A1
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wire end
filament
receptacle
heating
end portion
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PCT/AT2014/000043
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Nikolaus Reheis
Markus KÖGL
Wolfgang Spielmann
Peter Pohl
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Plansee SE
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/13—Solid thermionic cathodes
    • H01J1/15—Cathodes heated directly by an electric current
    • H01J1/18—Supports; Vibration-damping arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/32—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at more than 1550°C
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/06—Cathodes
    • H01J35/064—Details of the emitter, e.g. material or structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/06—Cathode assembly

Definitions

  • the present invention relates to a filament, in particular a
  • An X-ray cathode filament which has at least one emitter or heating filament made of a W-based material with protruding wire end sections and the respective end of the wire end support pins of a refractory metal or a refractory metal alloy for fixing and electrical contacting of Drahtendabitese.
  • at least one retaining pin on the front side a receptacle in which a wire end is received and within the recording
  • the invention further relates to a manufacturing method for such a filament.
  • Such X-ray cathode filaments are used in X-ray tubes for the emission of electrons. They typically have a heating filament (e.g., a wire helix with protruding wire end portions) which is energized with electrical current during use. As a result, electrons are emitted either directly from an electron-emitting section of the heating filament (in the case of a directly heated X-ray cathode filament) or from a component heated by the heating filament (in the case of indirect heating). The emitted electrons are accelerated in the form of a focused electron beam to a corresponding X-ray anode. Much of the energy of the electron beam is converted into heat in the X-ray anode, while a small portion is emitted as X-radiation.
  • a heating filament e.g., a wire helix with protruding wire end portions
  • a directly heated cathode in which a cathode filament consisting of tungsten is fixedly supported on cathode struts of refractory metal by means of punctiform applied heat, wherein the attachment is made using platinum as solder.
  • a cathode arrangement is known in which the wire end sections of the heating filament by means of
  • Spot welding are attached to corresponding, provided with an axial gap support pins.
  • the two support feet of the support pins obtained by the axial gap are designed such that one foot remains unchanged, while the other remains unchanged
  • JP 58-90389 A is generally a method for connecting a refractory, formed of a thin plate or a thin wire member by means
  • JP 58-90389 A is particularly suitable for connecting a heating coil of an electron tube with a corresponding holder.
  • the heating filament is usually from a
  • W-based material and the support pins are typically formed from a refractory metal or a refractory metal alloy (such as a Mo-based material).
  • a refractory metal or a refractory metal alloy such as a Mo-based material.
  • the Schufilament and the support pins are mechanically stable to each other and a good electrical contact is ensured. This compound must withstand the high temperatures that occur during use.
  • a corresponding problem generally exists with filaments which have an emitter filament or heating filament of a W-based material and corresponding support pins. Such filaments are used, for example, in lighting applications, for high-temperature heating constructions, such as for MOCVD
  • the object of the present invention is to provide a filament, in particular an X-ray cathode filament, and a method for producing a filament, in particular an X-ray cathode filament, in which the connection between the emitter or filament and at least one support pin is designed such that It ensures permanently a mechanically stable support and a good electrical contact even at the high temperatures that occur in use.
  • the object is achieved by a filament, in particular an X-ray cathode filament, according to claim 1 and by a method for producing a filament, in particular an X-ray cathode filament, according to claim 11.
  • Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims. Such filaments are used for example in
  • Lighting applications for high-temperature heating structures, such as for MOCVD applications (organometallic chemical
  • Vapor deposition English: metal-organic chemical vapor deposition), heating systems, etc., as well as evaporator filaments for
  • the filament in particular the X-ray cathode filament, comprises at least one emitter or heating filament (in the case of an X-ray cathode filament usually referred to as heating filament) of a W-based material (W: tungsten), the protruding one
  • Wire end portions (also from the W-based material), and the wire end portions respectively associated support pins made of a refractory metal or a refractory metal alloy for fixing and electrical contacting of the Drahtendabitese.
  • the cohesive connection is made via a filler material made of V (V: vanadium) or a V-based alloy, which is firmly bonded to the wire end section and firmly bonded to the retaining pin.
  • V vanadium
  • V-based alloy a filler material made of V-based alloy
  • V or a V-based alloy as an additional material, it is not necessary to use a filler material due to the comparatively low melting point of V compared to a joining technique
  • V shows a good wetting of the emitter or Schufilaments of W-based material and the support pins of a refractory metal or a refractory metal alloy. This is especially true when the support pins are made of Mo or a Mo-based alloy.
  • V Compared with the use of Pt (platinum) as filler material, V has the advantage that it usually does not have intermetallic phases with the as
  • V has a higher melting point compared to Pt (1910 ° C at V compared to 1768 ° C at Pt) and that when mixed with Mo (due to diffusion effects and / or due to the formation of a fusible alloy) a melting point increase occurs.
  • Further advantages of V as a filler material are that it has a lower vapor pressure compared to Pt (ie is highly compatible with the vacuum), that it has sufficient availability as a raw material and that it has a significant cost advantage compared to Pt.
  • X-ray cathode filaments are well known in the art and are used in X-ray tubes to emit electrons. In this case, such X-ray cathode filaments in X-ray tubes
  • W-based material reference is made in particular to pure tungsten or to a W alloy which comprises at least 50% by weight of W.
  • the W alloy consists of at least 90% by weight of W.
  • it contains, in particular, further metals, such as
  • the heating filament is designed, in particular, as a directly heated heating filament, i. that it emits electrons directly when in use when supplying electric current.
  • a directly heated heating filament i. that it emits electrons directly when in use when supplying electric current.
  • Embodiments (different cross sections, possibly over the extension length varying cross sections, different geometries, in particular
  • Heating filament has two or more inter-integrated helices, as is the case, for example, in a, wound with a first, small helix diameter wire, which is additionally wound in a helical shape with a second, large helix diameter. Furthermore, it can be provided that the helical cross section varies along the helix axis. Corresponding variations exist for the
  • the X-ray cathode filament can also have two or more heating filaments, which as a rule also each have separate wire end sections and separate support pins.
  • the wire end portions are substantially perpendicular to the
  • this main extension direction corresponds to the helix axis.
  • the wire end sections are parallel to each other.
  • the protruding Drahtendabitese serve for mechanical support and for electrical contacting of Schufilaments. They have an elongated main extension direction. Preferably, they have a substantially round cross-section. Also here are appropriate
  • Embodiments possible in the case of an emitter filament possible in the case of an emitter filament.
  • refractory in the present context references are made to metals and metal alloys having a melting point of
  • the receptacle is in particular designed in such a way that it starts on the front side, starting in the axial direction (of the relevant
  • Retaining pin extends.
  • an overlap region of the receptacle with the corresponding is thereby in the axial direction
  • Wire end portion is provided and the respective wire end portion is surrounded on both sides by the receptacle with respect to at least one, perpendicular to the axial direction extending radial direction.
  • the receptacle can be formed by a gap extending along the axial direction.
  • the receptacle may be formed, for example, by a hole extending along the axial direction.
  • filler material refers to a material provided in addition to the material of the retaining pin and the material of the emitter or heating filament (made of W-based material).
  • V or a V-based alloy refers in particular to pure V or a V alloy which consists of at least 50% by weight of V. In particular, the V alloy consists of at least 90% by weight of V. It is preferred that as the starting filler material (ie before melting the same, to the
  • Pure V is used (with impurities and / or additives to a maximum of 5 wt.%). It can be due to
  • Material from the wire end section Due to its very high melting point is not or only in a very small proportion in the filler added.
  • the wire end sections form part of the emitter or heating filament and are formed from one and the same W-based material.
  • the entire emitter or filament is made in one piece and made of the same material, i. it has no connection zones between two originally separately formed parts. According to a development of the filler material is at least
  • melting phase refers to a phase which is obtained by solidification of the relevant material from a melt.
  • the presence of a melt phase can be detected by metallurgical testing methods.
  • a melt phase has newly formed crystals in the solidification process. This microstructure, which is typical of a melt phase, will be distinguishable by a person skilled in the art from the starting filler present before heating.
  • a suitable metallurgical testing method for determining whether a melt phase is present is to make a (typically axial) cross section through the wire end portion, the support pin, and the filler material, embed the resulting surface into a resin, grind, polish, and scan with a scanning electron microscope (or alternatively with a
  • the filler metal is preferably present in a melt phase at least in a contact region between the retaining pin and the wire end section.
  • a melt phase at least in a contact region between the retaining pin and the wire end section.
  • Retaining pin is heated to such high temperatures that the starting filler melts.
  • the emitter or Schufilaments is preferred, however, if for producing the cohesive connection of the starting filler material by a
  • Beam welding in particular by a laser welding process, locally heated and melted, which also in this variant
  • the filler material wets at least over an axial section of the housing arranged within the receptacle
  • Drahtendabiteses away the wire end over at least 75% of the circumference (the wire end portion) and is present at least in this area in a melt phase.
  • a beam welding method e.g., electron beam welding method
  • Laser welding method is melted at least in sections.
  • the over at least 75% of the circumference wetted, axial portion of the wire end portion preferably has a length in
  • the support pins are made of Mo (Mo: molybdenum) or a Mo-based alloy. Because of its high
  • Mo is generally well suited as a base material for the support pins.
  • V as filler
  • Mo and V are soluble in each other across all compositions and do not form intermetallic phases.
  • the Mo dissolved in the V due to diffusion effects and / or due to the formation of a fusible alloy additionally leads to a melting point increase in the
  • Mo-based refers to an alloy which has> 50% by weight, in particular> 90% by weight of Mo. In the case of a Mo alloy, this alloy contains, in particular, further metals or even small amounts of non-Mo. metallic additives, such as oxides, and / or dopants.
  • the filler material is at least
  • melt alloy a more even mixing of V and Mo instead.
  • the filler material is completely present in a melting phase and forms said melt alloy. This can be achieved in particular if, as explained above, a beam welding method (for example laser welding, possibly also
  • Output filler material and a part of the support pin and possibly also a narrow edge zone of the Drahtendabiteses is used.
  • a "welded connection” according to the definition of “welding” is only present if the wire end section is also melted at least at a narrow edge zone thereof. Otherwise - i.e. if only the
  • the fusible alloy may also have other, metallic and / or non-metallic constituents, depending on which materials for the starting filler material, the retaining pin and for the
  • Wire end sections are used. It should be borne in mind that, when using a jet welding process, the filler material obtained after heating is at the highest level of the material of the
  • Output filler material should exist in which to a lesser extent material (in particular Mo) is released from the support pin, and in that possibly also to a much lower proportion of material from the
  • Wire end portion may be dissolved (for example, due to diffusion effects or by melting of its edge zone).
  • the wire end section is present in the region of the exit point of the wire end section from the receptacle in a non-recrystallized structure.
  • the entire, located within the receiving portion of the wire end portion is in a non-recrystallized structure.
  • Such a non-recrystallized structure of the wire end portion is usually desirable because of its preferred properties (higher ductility).
  • the wire end section can also be present in sections within the receptacle in a partially recrystallized structure.
  • a non-recrystallized structure is usually set in the course of the manufacturing process of the emitter or heating filament by forming (in the case of a wire: pulling) and moderate annealing. The recrystallization proceeds with increasing temperature and with
  • Drahtendabiteses can in particular in the manufacture of
  • Beam welding method preferably a laser welding method, for
  • Drahtendabiteses is used.
  • a local and relatively short-term heating so that in the field of Drahtendabitese the non-recrystallized structure can be largely retained. Possibly. can the recrystallization in the immediate vicinity of the impact of the
  • a forming structure is obtained by the step of forming. This, as known in the art, does not have clear grain boundaries around individual crystal grains. Furthermore, it has a variety of
  • Forming structure more between the newly formed crystals remains.
  • An unrequested or partially recrystallized structure can be recognized by powder metallurgical inspection methods as is known in the art. For example, for sample preparation, a cross-section is made (particularly in the axial direction) through the wire end portion (and optionally also the surrounding filler material and retaining pin), the resulting surface embedded in a resin, ground and polished (e.g.
  • EBSD Electron Backscatter Diffraction
  • ECCI analysis Electron Channeling Contrast Imaging
  • German electron channeling contrast imaging
  • EBSD analysis allows the grain boundaries to be visualized by specifying a "grain tolerance angle,” which is typically 15 °
  • the degree of recrystallization can be quantitatively evaluated by determining the area fraction of the crystals formed by grain regeneration (which can be recognized by means of completely circumferential grain boundaries) relative to the total area.
  • a partially recrystallized structure is understood to mean a structure in which crystal grains produced by grain remodeling are surrounded by a forming structure and in which, with respect to a
  • the filler material is formed by at least one partially present in a molten phase molding, which is within the receptacle over an axial length of the section
  • Wire Endabiteses and along the axial length portion forms a guide for the Drahtendabrough within the receptacle, wherein the cohesive connection only over a portion of the axial
  • Length portion is formed and wherein the portion within the receptacle axially spaced from the exit point of the Drahtendabiteses from the guide (and possibly the recording) is arranged.
  • the portion within the receptacle axially spaced from the exit point of the Drahtendabiteses from the guide (and possibly the recording) is arranged.
  • the molded part and the guide provided by the molded part extend to the exit point of the
  • the shaping is to be selected such that a guide for the wire end section is provided within the receptacle through the respective molded part over an axial longitudinal section.
  • At least one axial section of the molded part is formed by a sleeve slotted along the axial direction in which the wire end section is received.
  • Execution is used as a starting molding in particular a slotted sleeve.
  • the slotted sleeve (or alternatively an otherwise configured output molding) is pushed over the wire end portion and the wire end portion and the sleeve (or generally the Output molding) are preferably positioned within the receptacle such that towards the side of the emitter or filament, the end of the sleeve (or generally the output molding) and the end of the receptacle are flush.
  • the cohesive connection is preferably produced by axially spaced from the
  • material bond heat for example via a
  • the emitter or heating filament is formed by a continuous wire. This means that the electrons or
  • Heat emitting portion and the wire end are formed from one and the same wire.
  • the wire does not necessarily have to have a round cross section (eg also oval cross section, flat cross section, etc. possible).
  • a round or substantially round cross section is preferred.
  • the emitter or Schufilament is formed by a wire coil with protruding Drahtendabêten.
  • Drahtendabêten Such a design is advantageous in terms of a simple and inexpensive production.
  • different helical cross sections of the winding are possible (eg triangular, shape of a horizontal D, circular, oval, etc.).
  • the helical cross section along the spiral axis also vary.
  • the receptacle is formed by a gap beginning at the end face which extends continuously in the radial direction and in the axial direction up to a predetermined depth of the retaining pin.
  • the present invention further relates to a method for producing a filament, in particular an X-ray cathode filament, comprising the following steps:
  • Holding pins each have a receptacle on the front side
  • Output filler made of V or a V-based alloy in the inclusion of an associated support pin
  • Additional material is materially connected to the retaining pin and materially connected to the wire end and thus a cohesive connection between the retaining pin and Drahtendabites is obtained.
  • the inventive method allows a reliable and
  • Output filler material such as as at least one axial length of the Drahtendabiteses surrounding output molding (axially slotted sleeve, tubular sleeve, at least two axially extending shells, which are interconnected via respective webs, etc.), as a wire, as a plate or Sheet metal, as a paste, as a powder, etc.
  • step B) the steps of insertion (step B)) and of heating (step C)) are performed in parallel on a plurality of wire end sections and the associated support pins.
  • step C the steps of insertion (step B)) and of heating (step C)) are performed in parallel on a plurality of wire end sections and the associated support pins.
  • the heating step such as heating the entire arrangement in an oven or a preferred local one
  • the direct heat supply takes place exclusively or at least to a predominant proportion of the starting filler material and / or to a adjacent to the output filler material portion of the retaining pin, in the latter case, the starting filler material is heated at least to a considerable extent by heat conduction.
  • the direct heat supply is axially spaced from the exit point of the
  • the heat supply via a beam welding process.
  • the heating step is carried out by
  • Laser welding This creates a particularly effective, locally limited Heating, wherein already a short-term energy supply (laser pulse) is sufficient for melting the output filler material.
  • the step of heating is carried out without the support pin and the wire end section being pressed against one another by a contact force. In this way, compared to a resistance welding method, a deformation of the components and / or the
  • step C in particular after performing the beam welding process, preferably still another
  • the heat treatment can be performed by:
  • FIG. 1 a front view of an X-ray cathode filament according to FIG.
  • FIG. 2 shows a side view of the X-ray cathode filament from FIG. 1 with a detail enlarged in the region of the material connection;
  • FIG. 3 shows a three-dimensional view of an axially slotted sleeve in FIG.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view along the axial direction and perpendicular to the helical axis of the illustrated in Fig. 4
  • X-ray cathode filament 2 has a wire filament
  • Wire coil 10 is formed, wherein the wire end sections 6, 8 are formed by the protruding wire ends of the wire coil 10.
  • the wire of Hammerfilaments 4 is made of tungsten with appropriate
  • High temperature stabilizing dopants such as potassium
  • a suitable material is e.g. Tungsten doped with AKS, i. Tungsten doped with aluminum, potassium and silicon. Further, two, the two
  • Wire end sections 6, 8 associated support pins 12, 14 provided from Mo.
  • the support pins 12, 14 are each provided from the end face 16 beginning with a gap 18 which extends in the radial direction 20 completely through the respective support pin 12, 14 and extending in the axial Direction 22 extends to a predetermined depth.
  • the arrangement is such that the wire helix 10 defines a helix axis 23.
  • the helical cross section is circular in the illustrated embodiment and constant over the course of the helix axis 23. Die
  • Wire end sections 6, 8 are perpendicular from the helix axis 23 and parallel to each other.
  • the support pins 12, 14 are also aligned with their axial direction 22 parallel to the wire end sections 6, 8.
  • the wire coil 10 has the following dimensions and
  • the wire end sections 6, 8 do not extend to the gap bottom 28, but are somewhat of this
  • wire end sections 6, 8 are connected by a material connection via an additional material 30 with the respective
  • the filler material 30 is completely present in the illustrated embodiment as a melt phase. It is formed by a fusible alloy of V, Mo and W, which contains a significantly higher proportion of V and only a very small proportion of W (the composition varies over the range of the fusible alloy, i.e. it is graded). As based on the
  • Gap 18 arranged, axial portion of the wire end 6
  • the wire end portion 8 shown in FIG. 2 is fully penetrated at an upper axial portion wets the filler material 30, while at a lower, axial
  • the inner wall of the support feet 24, 26 is at least over the width of the wire end 6, 8 and over the length of the axial
  • the support pins 12, 14 each have a diameter of 1, 5 mm and a length of 24 mm.
  • a mounting device Positioning of the items to each other, a mounting device is used, which is also for receiving and fixing the wire-shaped
  • Output filler material (forms a welding filler for the laser welding process) is suitable.
  • the starting filler material used is a wire piece of pure vanadium with a diameter of 0.25 mm and a length of 2 mm.
  • the impact point 32 of the laser beam is shown schematically in Fig. 2.
  • the focus of the laser beam is 5 mm radially spaced from the wire end portion 8 which defines the axial direction (ie the focus is in the material-free space).
  • For the Laser welding becomes a pulsed Yb: YAG disk laser
  • the set laser parameters include 200 W (W: Watt) beam power and a pulse duration of 800 ms (milliseconds).
  • W W: Watt
  • a stationary laser optics with a focal length of 200 mm is used.
  • the welding process is carried out under a protective gas atmosphere. In the present case argon is used as protective gas.
  • the starting filler metal is essentially completely melted and part of the material of the retaining pins 12, 14 (in particular in the region of the point of impact of the laser beam) and possibly a narrow edge zone of the wire end section 8.
  • care must be taken that at the wire end section 8, at most, a narrow edge zone is melted in order to weaken it as little as possible. This forms a
  • Holding pins 12, 14 and possibly W from the wire end 8 contains. After solidification of the above-described filler material is obtained, which contains a fused alloy containing V and Mo and possibly to a small amount of W forms. Subsequently, a flash annealing at 1, 000 ° C is carried out for 1 hour.
  • X-ray cathode filaments 2 each subjected to a component test.
  • Embodiment of the present invention explained. It is mainly due to the differences compared to the first embodiment, which
  • the outer diameter d ' is selected such that in an insertion position, in which the sleeve 34' is pushed over the associated wire end section 6 'and the arrangement is positioned within the receptacle (in the present case: gap 18'), a clearance (in the radial direction ) v 'of about 10 - 30 pm (in the present example 20 pm) is given.
  • the gap width b ' is a few in the relaxed state
  • Microns e.g., in the range of 5 to 50 microns, in the present case about 5 microns
  • the sleeve 34 ' is designed such that the gap is only slightly expanded when the sleeve 34' is pushed over the associated wire end portion 6 '.
  • the production of a cohesive connection takes place by applying heat in a laser welding system by means of a laser beam locally in the area of the material-bonding connection to be produced.
  • the laser beam is directed parallel to or slightly obliquely to the cleavage direction into the gap 18 'in such a way that the focus is on material of the support pin 12' arranged adjoining the sleeve 34 'and / or on material of the
  • Sleeve 34 ' is directed. The focus is offset axially from the upper end of the gap 18 'in the direction of the gap bottom 28' out. Depending on
  • Wall thickness of the sleeve 34 ' can also be a slightly lower beam power than in the first embodiment and / or a shorter treatment time can be selected.
  • the beam power and treatment time are selected such that, based on an axial length section I 'over which the wire end section 6' and the sleeve 34 'overlap, only one
  • the section t ' has a length of 0.2-1.5 mm (here 0.7 mm) and extends to the lower end (i.e. In this case, material of the sleeve 34 'can flow down into the gap bottom 28' and embed the lower end of the wire end portion 6 '.
  • Force action point P ' in which acting on the heating filament 4' and in particular on the wire coil 10 'applied bending moments, is the risk of fatigue and in particular fatigue fractures of Drahtendabiteses 6' is reduced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Wire Processing (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filament, insbesondere ein Röntgenkathodenfilament (2), das mindestens ein Emitter- oder Heizfilament (4) aus einem W- basierten Werkstoff mit abstehenden Drahtendabschnitten (6, 8) und den Drahtendabschnitten (6, 8) jeweils zugeordnete Halterungsstifte (12, 14) aus einem hochschmelzenden Metall oder einer hochschmelzenden Metalllegierung zur Fixierung und elektrischen Kontaktierung der Drahtendabschnitte (6, 8) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Dabei weist mindestens ein Halterungsstift (12, 14) stirnseitig eine Aufnahme (18) auf, in der ein Drahtendabschnitt (6, 8) aufgenommen ist und innerhalb der Aufnahme (18) stoffschlüssig mit dem Halterungsstift (12, 14) verbunden ist. Die stoffschlüssige Verbindung wird über einen Zusatzwerkstoff aus V oder einer V-basierten Legierung, der stoffschlüssig mit dem Drahtendabschnitt (6, 8) sowie stoffschlüssig mit dem Halterungsstift (12, 14) verbunden ist, hergestellt.

Description

RÖNTGENKATHODENFILAMENT
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filament, insbesondere ein
Röntgenkathodenfilament, welches mindestens ein Emitter- oder Heizfilament aus einem W- basierten Werkstoff mit abstehenden Drahtendabschnitten und den Drahtendabschnitten jeweils zugeordnete Halterungsstifte aus einem hochschmelzenden Metall oder einer hochschmelzenden Metalllegierung zur Fixierung und elektrischen Kontaktierung der Drahtendabschnitte aufweist. Dabei weist mindestens ein Halterungsstift stirnseitig eine Aufnahme auf, in der ein Drahtendabschnitt aufgenommen ist und innerhalb der Aufnahme
stoffschlüssig mit dem Halterungsstift verbunden ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Filament.
Derartige Röntgenkathodenfilamente werden in Röntgenröhren zur Emission von Elektronen eingesetzt. Sie weisen in der Regel ein Heizfilament (z.B. eine Drahtwendel mit abstehenden Drahtendabschnitten) auf, das im Einsatz mit elektrischem Strom beaufschlagt wird. Dadurch werden Elektronen entweder direkt von einem Elektronen emittierenden Abschnitt des Heizfilaments (im Falle eines direkt beheizten Röntgenkathodenfilaments) oder von einem, durch das Heizfilament beheizten Bauteil (im Falle einer indirekten Beheizung) emittiert. Die emittierten Elektronen werden in Form eines fokussierten Elektronenstrahls auf eine entsprechende Röntgenanode beschleunigt. Ein Großteil der Energie des Elektronenstrahls wird in der Röntgenanode in Wärme umgewandelt, während ein kleiner Anteil als Röntgenstrahlung abgestrahlt wird.
Aus der DE 40 35 361 A1 ist eine direkt geheizte Kathode bekannt, bei welcher eine aus Wolfram bestehende Kathodenwendel an Kathodenstreben aus hochschmelzendem Metall mittels punktförmig zugeführter Wärme tragend befestigt wird, wobei die Befestigung unter Verwendung von Platin als Lot vorgenommen wird. Aus der JP 8241685 A ist eine Kathodenanordnung bekannt, bei welcher die Drahtendabschnitte des Heizfilaments mittels
Punktschweißen an entsprechenden, mit einem axialen Spalt versehenen Halterungsstiften befestigt werden. Dabei sind die durch den axialen Spalt erhaltenen zwei Halterungsfüße der Halterungsstifte derart ausgebildet, dass jeweils ein Fuß unverändert bleibt, während der andere durch das
Punktschweißverfahren leicht verbogen wird. Aus der JP 58-90389 A ist allgemein ein Verfahren zum Verbinden eines hochschmelzenden, aus einer dünnen Platte oder einem dünnen Draht gebildeten Bauteils mittels
Laserschweißen mit einem Grundmaterial aus Eisen, Nickel oder dergleichen bekannt. Dabei wird der Laserstrahl von der Seite des Grundmaterials auf das Grundmaterial gerichtet und es wird ein Materialfluss des geschmolzenen Grundmaterials erzeugt, welcher die dünne Platte oder den dünnen Draht einhüllt. Das in der JP 58-90389 A beschriebene Verfahren ist insbesondere zur Verbindung einer Heizwendel einer Elektronenröhre mit einer entsprechenden Halterung geeignet.
Aufgrund der hohen, in dem Bereich des Röntgenkathodenfilaments
auftretenden Temperaturen ist das Heizfilament in der Regel aus einem
W-basierten Werkstoff und die Halterungsstifte sind in der Regel aus einem hochschmelzendem Metall oder einer hochschmelzenden Metalllegierung (wie beispielsweise aus einem Mo-basierten Werkstoff) gebildet. Dabei besteht die Anforderung, dass das Heizfilament und die Halterungsstifte mechanisch stabil miteinander verbunden werden und eine gute elektrische Kontaktierung gewährleistet wird. Diese Verbindung muss dabei den hohen, im Einsatz auftretenden Temperaturen standhalten. Eine entsprechende Problematik besteht allgemein bei Filamenten, die ein Emitterfilament oder Heizfilament aus einem W-basierten Werkstoff und entsprechende Halterungsstifte aufweisen. Solche Filamente werden beispielsweise in Beleuchtungsanwendungen, für Hochtemperatur-Heizkonstruktionen, wie beispielsweise für MOCVD-
Anwendungen (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung; englisch: metal-organic chemical vapour deposition), Heizsysteme, etc., sowie als
Verdampferfilamente für Beschichtungsanwendungen eingesetzt. Dementsprechend besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Filament, insbesondere ein Röntgenkathodenfilament, und ein Verfahren zur Hersteilung eines Filaments, insbesondere eines Röntgenkathodenfilaments, bereitzustellen, bei welchem die Verbindung zwischen dem Emitter- oder Heizfilament und mindestens einem Halterungsstift derart ausgestaltet ist, dass sie auch bei den hohen, im Einsatz auftretenden Temperaturen dauerhaft eine mechanisch stabile Halterung und eine gute elektrische Kontaktierung sicherstellt. Die Aufgabe wird durch ein Filament, insbesondere ein Röntgenkathoden- filament, gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Filaments, insbesondere eines Röntgenkathodenfilaments, gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Solche Filamente werden beispielsweise in
Beleuchtungsanwendungen, für Hochtemperatur-Heizkonstruktionen, wie beispielsweise für MOCVD-Anwendungen (metallorganische chemische
Gasphasenabscheidung; englisch: metal-organic chemical vapour deposition), Heizsysteme, etc., sowie als Verdampferfilamente für
Beschichtungsanwendungen eingesetzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Filament, insbesondere das Röntgenkathodenfilament, mindestens ein Emitter- oder Heizfilament (im Falle eines Röntgenkathodenfilaments in der Regel als Heizfilament bezeichnet) aus einem W- basierten Werkstoff (W: Wolfram), das abstehende
Drahtendabschnitte (ebenfalls aus dem W-basierten Werkstoff) aufweist, und den Drahtendabschnitten jeweils zugeordnete Halterungsstifte aus einem hochschmelzenden Metall oder einer hochschmelzenden Metalllegierung zur Fixierung und elektrischen Kontaktierung der Drahtendabschnitte auf. Dabei weist mindestens ein Halterungsstift stirnseitig eine Aufnahme auf, in der ein Drahtendabschnitt aufgenommen ist und innerhalb der Aufnahme stoffschlüssig mit dem Halterungsstift verbunden ist. Die stoffschlüssige Verbindung wird über einen Zusatzwerkstoff aus V (V: Vanadium) oder einer V-basierten Legierung, der stoffschlüssig mit dem Drahtendabschnitt sowie stoffschlüssig mit dem Halterungsstift verbunden ist, hergestellt. Vorzugsweise sind sämtliche
Drahtendabschnitte des mindestens einen Emitter- oder Heizfilaments durch eine derartige stoffschlüssige Verbindung mit entsprechenden Halterungsstiften verbunden. Vorzugsweise sind dabei auch die nachfolgend erläuterten
Weiterbildungen und Varianten an sämtlichen, stoffschlüssigen Verbindungen zwischen den Drahtendabschnitten und den zugehörigen Halterungsstiften vorgesehen.
Indem V oder eine V-basierte Legierung als Zusatzwerkstoff eingesetzt wird, ist gegenüber einer Verbindungstechnik ohne Einsatz eines Zusatzwerkstoffes aufgrund des vergleichsweise niedrigen Schmelzpunktes von V
(Schmelzpunkt: 1910 °C von reinem V) eine relativ niedrigere Temperatur zum Verbinden des Drahtendabschnittes mit dem Halterungsstift erforderlich
(verglichen mit den Schmelztemperaturen von reinem W, reinem Mo sowie weiteren, hochschmelzenden Metallen, die als Material für die Halterungsstifte in Frage kommen). V zeigt dabei eine gute Benetzung des Emitter- oder Heizfilaments aus W-basiertem Werkstoff sowie der Halterungsstifte aus einem hochschmelzendem Metall oder einer hochschmelzenden Metalllegierung. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Halterungsstifte aus Mo oder einer Mo-basierten Legierung gebildet sind.
Gegenüber einer Verwendung von Pt (Platin) als Zusatzwerkstoff hat V den Vorteil, dass es in der Regel keine intermetallischen Phasen mit den als
Materialien für die Halterungsstifte in Frage kommenden, hochschmelzenden Metallen ausbildet und eine gute Mischbarkeit mit diesen aufweist. Dieser
Vorteil besteht insbesondere dann, wenn die Halterungsstifte aus Mo oder einer Mo-basierten Legierung gebildet sind. Demgegenüber bildet Pt mit Mo intermetallische Phasen aus, wodurch die Stabilität der Verbindung,
insbesondere bei hohen Einsatztemperaturen, herabgesetzt sein kann. Im Hinblick auf die Hochtemperaturstabilität ist ein weiterer Vorteil von V, dass es im Vergleich zu Pt einen höheren Schmelzpunkt aufweist (1910 °C bei V im Vergleich zu 1768 °C bei Pt) und dass bei Vermischung mit Mo (aufgrund von Diffusionseffekten und/oder aufgrund der Ausbildung einer Schmelzlegierung) eine Schmelzpunkterhöhung auftritt. Weitere Vorteile von V als Zusatzwerkstoff sind, dass es im Vergleich zu Pt einen niedrigeren Dampfdruck aufweist (d.h. hochvakuumkompatibel ist), dass eine ausreichende Verfügbarkeit als Rohstoff gegeben ist und dass es im Vergleich zu Pt einen deutlichen Kostenvorteil aufweist. Röntgenkathodenfilamente sind in dem Fachgebiet allgemein bekannt und werden in Röntgenröhren zur Emission von Elektronen eingesetzt. Dabei können derartige Röntgenkathodenfilamente in Röntgenröhren
unterschiedlicher Typen, wie beispielsweise in Röntgenröhren für medizinische Anwendungen, in Röntgenröhren zum Gepäckscannen (z.B. an Flughäfen), in Röntgenröhren zur Materialprüfung, etc., eingesetzt werden. Als„W-basierter Werkstoff wird insbesondere auf reines Wolfram oder auf eine W-Legierung, die zu mindestens 50 Gew.% aus W besteht, Bezug genommen. Insbesondere besteht die W-Legierung zu mindestens 90 Gew.% aus W. Im Falle einer W-Legierung enthält diese insbesondere noch weitere Metalle, wie
beispielsweise Re (Re: Rhenium), oder auch zu geringen Anteilen nichtmetallische Zusätze, wie beispielsweise Oxide, und/oder Dotierungen (z.B. mit Kalium). Das Heizfilament ist insbesondere als direkt beheiztes Heizfilament ausgebildet, d.h. dass dieses im Einsatz bei Zuführen von elektrischem Strom direkt Elektronen emittiert. Für das Heizfilament sind unterschiedliche
Ausgestaltungen (verschiedene Querschnitte, ggf. über die Erstreckungslänge variierende Querschnitte, verschiedene Geometrien, insbesondere
Wendelgeometrien, etc.) möglich, wie beispielsweise als Flachheizer, als Drahtfilament, etc., wobei die Ausbildung als Drahtfilament bevorzugt ist. Weist das Heizfilament eine Wendel auf, so sind unterschiedliche Wendelgeometrien möglich. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein- und dasselbe
Heizfilament zwei oder mehrere ineinander integrierte Wendeln aufweist, wie es beispielsweise bei einem, mit einem ersten, kleinen Wendeldurchmesser gewickelten Draht der Fall ist, der zusätzlich noch in einer Wendelform mit einem zweiten, großen Wendeldurchmesser gewickelt ist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Wendelquerschnitt entlang der Wendelachse variiert. Entsprechende Variationsmöglichkeiten bestehen für das
Emitterfilament. Ferner kann das Röntgenkathodenfilament auch zwei oder mehrere Heizfilamente aufweisen, die dann in der Regel auch jeweils separate Drahtendabschnitte und separate Halterungsstifte aufweisen. Vorzugsweise stehen die Drahtendabschnitte im Wesentlichen senkrecht zu der
Haupterstreckungsrichtung des Elektronen emittierenden Abschnittes ab. Im Falle der Ausbildung des Elektronen emittierenden Abschnittes als Wendel entspricht diese Haupterstreckungsrichtung der Wendelachse. Dabei ist bevorzugt, dass die Drahtendabschnitte parallel zueinander verlaufen. Die abstehenden Drahtendabschnitte dienen dabei zur mechanischen Halterung sowie zur elektrischen Kontaktierung des Heizfilaments. Sie weisen eine längliche Haupterstreckungsrichtung auf. Vorzugsweise weisen sie einen im Wesentlichen runden Querschnitt auf. Auch hier sind entsprechende
Ausgestaltungen im Falle eines Emitterfilaments möglich.
Mit„hochschmelzend" wird in dem vorliegenden Zusammenhang auf Metalle und Metalllegierungen Bezug genommen, die einen Schmelzpunkt von
2.000 °C aufweisen. Die Aufnahme ist insbesondere derart ausgebildet, dass sie sich stirnseitig beginnend in axialer Richtung (des betreffenden
Halterungsstifts) bis zu einer vorbestimmten Tiefe in den jeweiligen
Halterungsstift erstreckt. Insbesondere wird dadurch in axialer Richtung ein Überlappungsbereich der Aufnahme mit dem entsprechenden
Drahtendabschnitt bereitgestellt und der betreffende Drahtendabschnitt wird bezüglich mindestens einer, senkrecht zu der axialen Richtung verlaufenden radialen Richtung beidseitig durch die Aufnahme umgeben. Insbesondere kann die Aufnahme durch einen sich entlang der axialen Richtung erstreckenden Spalt gebildet werden. Alternativ kann die Aufnahme beispielsweise durch ein sich entlang der axialen Richtung erstreckendes Loch gebildet werden.
Als„Zusatzwerkstoff wird ein Werkstoff bezeichnet, der zusätzlich zu dem Material des Halterungsstiftes und dem Material des Emitter- oder Heizfilaments (aus W-basiertem Werkstoff) vorgesehen ist. Mit„V oder einer V-basierten Legierung" wird insbesondere auf reines V oder eine V-Legierung, die zu mindestens 50 Gew.% aus V besteht, Bezug genommen. Insbesondere besteht die V-Legierung zu mindestens 90 Gew.% aus V. Bevorzugt ist, dass als Ausgangs-Zusatzwerkstoff (d.h. vor Aufschmelzen desselben, um die
Verbindung herzustellen) reines V eingesetzt wird (mit Verunreinigungen und/oder Zusätzen bis maximal 5 Gew.%). Dabei kann aufgrund von
Diffusionseffekten und/oder aufgrund der Ausbildung einer Schmelzlegierung beim Erhitzen zum Herstellen der Verbindung Material aus dem Halterungsstift und ggf. auch aus dem Drahtendabschnitt in dem Zusatzwerkstoff
aufgenommen, insbesondere gelöst, sein. Material aus dem Drahtendabschnitt wird aufgrund von dessen sehr hohem Schmelzpunkt nicht oder nur zu einem sehr geringen Anteil in dem Zusatzwerkstoff aufgenommen.
Die Drahtendabschnitte bilden Teil des Emitter- oder Heizfilaments und sind aus ein- und demselben W-basierten Werkstoff gebildet. Insbesondere ist das gesamte Emitter- oder Heizfilament einstückig und aus ein- und demselben Werkstoff hergestellt, d.h. es weist keine Verbindungszonen zwischen zwei ursprünglich separat ausgebildeten Teilen auf. Gemäß einer Weiterbildung liegt der Zusatzwerkstoff zumindest
abschnittsweise in einer Schmelzphase vor. Auf diese Weise kann eine gute Benetzung des Halterungsstiftes und des Drahtendabschnittes durch den Zusatzwerkstoff erzielt werden. Dies ist vorteilhaft im Hinblick auf eine stabile, mechanische Verbindung sowie im Hinblick auf eine gute elektrische
Kontaktierung. Als Schmelzphase wird dabei eine Phase bezeichnet, die durch Erstarren des betreffenden Werkstoffs aus einer Schmelze erhalten wird. Wie in dem Fachgebiet bekannt ist, kann das Vorliegen einer Schmelzphase durch metallurgische Untersuchungsmethoden erkannt werden. Eine Schmelzphase weist bei dem Erstarrungsvorgang neu gebildete Kristalle auf. Diese für eine Schmelzphase typische Mikrostruktur ist für einen Fachmann von dem vor dem Erhitzen vorliegenden Ausgangs-Zusatzwerkstoff unterscheidbar. Eine geeignete metallurgische Untersuchungsmethode zum Bestimmen, ob eine Schmelzphase vorliegt, ist, dass ein (typischerweise axialer) Querschnitt durch den Drahtendabschnitt, den Halterungsstift und den Zusatzwerkstoff hergestellt, die dabei erhaltene Oberfläche in ein Harz eingebettet, geschliffen, poliert und mit einem Rasterelektronenmikroskop (oder alternativ mit einem
Lichtmikroskop) in dem Bereich des Zusatzwerkstoffes untersucht wird.
Vorzugsweise liegt der Zusatzwerkstoff zumindest in einem Kontaktbereich zwischen Halterungsstift und Drahtendabschnitt in einer Schmelzphase vor. Ein derartiges, nur lokales Aufschmelzen des Ausgangs-Zusatzwerkstoffes in dem Kontaktbereich erfolgt beispielsweise, wenn zum Verbinden ein Widerstandsschweißverfahren, insbesondere ein Widerstandspunktschweißverfahren, eingesetzt wird. Demgegenüber kann ein großflächigeres oder vollständiges Aufschmelzen des Ausgangs-Zusatzwerkstoffes erreicht werden, wenn zum Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung die Gesamtanordnung (aus Emitteroder Heizfilament, Ausgangs-Zusatzwerkstoff und mindestens einem
Halterungsstift) auf so hohe Temperaturen erwärmt wird, dass der Ausgangs- Zusatzwerkstoff aufschmilzt. Im Hinblick auf eine Vermeidung der Alterung des Emitter- oder Heizfilaments ist jedoch bevorzugt, wenn zum Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung der Ausgangs-Zusatzwerkstoff durch ein
Strahlschweißverfahren, insbesondere durch ein Laserschweißverfahren, lokal erhitzt und aufgeschmolzen wird, wobei auch bei dieser Variante ein
großflächiges oder auch vollständiges Aufschmelzen des Ausgangs- Zusatzwerkstoffes erreicht werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung benetzt der Zusatzwerkstoff zumindest über einen innerhalb der Aufnahme angeordneten, axialen Abschnitt des
Drahtendabschnittes (axial: Haupterstreckungsrichtung des
Drahtendabschnittes) hinweg den Drahtendabschnitt über mindestens 75% des Umfangs (des Drahtendabschnittes) und liegt zumindest in diesem Bereich in einer Schmelzphase vor. Durch eine derartige, großflächige Benetzung des Drahtendabschnittes mit dem, in einer Schmelzphase vorliegenden
Zusatzwerkstoff werden ein stabiler Halt und eine gute elektrische
Kontaktierung hergestellt. Eine derartige, großflächige Benetzung kann insbesondere dadurch erhalten werden, dass der an die entsprechende
Position innerhalb der Aufnahme eingebrachte Ausgangs-Zusatzwerkstoff durch ein Strahlschweißverfahren (z.B. Elektronenstrahlschweißverfahren,
Laserschweißverfahren) zumindest abschnittsweise aufgeschmolzen wird.
Demgegenüber ist bei einem Erwärmen der Gesamtanordnung in einem Ofen auf entsprechend hohe Temperaturen eine so großflächige Benetzung nicht oder nur schwierig erhältlich, da der aufgeschmolzene Zusatzwerkstoff der Schwerkraft folgend abfließt. Der über mindestens 75 % des Umfangs benetzte, axiale Abschnitt des Drahtendabschnittes weist bevorzugt eine Länge im
Bereich von 0,2 - 1 ,5 mm auf. Dieser Bereich gilt insbesondere bei einem axialen Überlappungsbereich zwischen Drahtendabschnitt und Aufnahme von zum Beispiel 2 mm Länge. Gemäß einer Weiterbildung sind die Halterungsstifte aus Mo (Mo: Molybdän) oder einer Mo-basierten Legierung gebildet. Aufgrund seines hohen
Schmelzpunktes ist Mo allgemein als Grundmaterial für die Halterungsstifte gut geeignet. In Kombination mit V als Zusatzwerkstoff ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass Mo und V über alle Zusammensetzungen hinweg ineinander löslich sind und keine intermetallischen Phasen ausbilden. Das aufgrund von Diffusionseffekten und/oder aufgrund der Ausbildung einer Schmelzlegierung in dem V gelöste Mo führt zusätzlich zu einer Schmelzpunkterhöhung des
Zusatzwerkstoffes (verglichen mit dem Ausgangs-Zusatzwerkstoff), was im Hinblick auf die H ochtem pe ratu rstab i I ität der Verbindung von Vorteil ist. Mit „Mo-basiert" wird auf eine Legierung Bezug genommen, die zu > 50 Gew.%, insbesondere zu > 90 Gew.% Mo aufweist. Im Falle einer Mo-Legierung enthält diese insbesondere noch weitere Metalle oder auch zu geringen Anteilen nicht-metallische Zusätze, wie beispielsweise Oxide, und/oder Dotierungen.
Gemäß einer Weiterbildung liegt der Zusatzwerkstoff zumindest
abschnittsweise in einer Schmelzphase vor und die Schmelzphase bildet eine Schmelzlegierung, die zumindest V und Mo als Legierungsmetalle enthält. Dadurch ergeben sich die oberhalb erläuterten Vorteile. Als Schmelzlegierung wird dabei - wie in dem Fachgebiet üblich - eine durch Aufschmelzen von
V und Mo und durch Durchmischen derselben erhaltene Legierung verstanden. Im Vergleich zu einer Festkörperdiffusion findet bei Ausbildung einer
Schmelzlegierung eine gleichmäßigere Durchmischung von V und Mo statt. Gemäß einer Weiterbildung liegt der Zusatzwerkstoff vollständig in einer Schmelzphase vor und bildet die genannte Schmelzlegierung. Dies kann insbesondere dann erreicht werden, wenn - wie oberhalb erläutert - ein Strahlschweißverfahren (z.B. Laserschweißen, ggf. auch
Elektronenstrahlschweißen) zum vollständigen Aufschmelzen des
Ausgangs-Zusatzwerkstoffes und eines Teils des Halterungsstiftes sowie ggf. auch einer schmalen Randzone des Drahtendabschnittes eingesetzt wird. Eine „Schweißverbindung" gemäß der Definition von„Schweißen" liegt nur dann vor, wenn auch der Drahtendabschnitt zumindest an einer schmalen Randzone desselben aufgeschmolzen wird. Andernfalls - d.h. wenn nur der
Ausgangs-Zusatzwerkstoff und ein Teil des Halterungsstiftes aufgeschmolzen werden - handelt es sich um eine Mischform zwischen Schweißen und Löten. Allgemein kann die Schmelzlegierung auch noch weitere, metallische und/oder nicht-metallische Bestandteile aufweisen, je nachdem, welche Materialien für den Ausgangs-Zusatzwerkstoff, den Halterungsstift und für die
Drahtendabschnitte eingesetzt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei Einsatz eines Strahlschweißverfahrens der nach dem Erhitzen erhaltene Zusatzwerkstoff zu dem höchsten Anteil aus dem Material des
Ausgangs-Zusatzwerkstoffes bestehen sollte, in das zu einem geringeren Anteil Material (insbesondere Mo) aus dem Halterungsstift gelöst ist, und in das ggf. auch zu einem noch deutlich geringeren Anteil Material aus dem
Drahtendabschnitt gelöst sein kann (z.B. aufgrund von Diffusionseffekten oder durch ein Aufschmelzen von dessen Randzone).
Gemäß einer Weiterbildung liegt der Drahtendabschnitt in dem Bereich des Austrittspunktes des Drahtendabschnittes aus der Aufnahme in einer nicht rekristallisierten Struktur vor. Vorzugsweise liegt der gesamte, innerhalb der Aufnahme befindliche Abschnitt des Drahtendabschnittes in einer nicht rekristallisierten Struktur vor. Eine derartige nicht rekristallisierte Struktur des Drahtendabschnittes ist aufgrund ihrer bevorzugten Eigenschaften (höhere Duktilität) in der Regel gewünscht. Gegebenenfalls kann der Drahtendabschnitt auch abschnittsweise innerhalb der Aufnahme in einer teilrekristallisierten Struktur vorliegen. Eine nicht rekristallisierte Struktur wird in der Regel im Rahmen des Herstellungsprozesses des Emitter- oder Heizfilaments durch Umformen (im Falle eines Drahtes: Ziehen) und moderates Glühen eingestellt. Die Rekristallisation schreitet mit zunehmender Temperatur und mit
zunehmender Zeit der Erwärmung fort, bis eine vollständig rekristallisierte Struktur erhalten wird. Dementsprechend ist eine übermäßige und zu lange andauernde Erwärmung der Drahtendabschnitte im Rahmen der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung möglichst zu vermeiden. Die gemäß dieser Weiterbildung vorgesehene nicht rekristallisierte Struktur des
Drahtendabschnittes kann insbesondere bei dem Herstellen der
stoffschlüssigen Verbindung weitgehend erhalten bleiben, wenn ein
Strahlschweißverfahren, vorzugsweise ein Laserschweißverfahren, zum
Aufschmelzen des Ausgangs-Zusatzwerkstoffes (und ggf. eines Teils des Halterungsstiftes sowie ggf. einer schmalen Randzone des
Drahtendabschnittes) eingesetzt wird. Dadurch erfolgen nur eine lokale und relativ kurzzeitige Erwärmung, so dass in dem Bereich der Drahtendabschnitte die nicht rekristallisierte Struktur weitgehend erhalten bleiben kann. Ggf. kann die Rekristallisation in der direkten Umgebung des Auftreffpunktes des
Schweißstrahls (insbesondere des Lasers) etwas stärker als in den
umliegenden Bereichen fortschreiten. Aufgrund der lokalen Energieeinbringung bei einem Strahlschweißverfahren kann ferner ein übermäßiges Erhitzen des Wärme abstrahlenden und/oder Elektronen emittierenden Abschnittes des Emitter- oder Heizfilaments vermieden werden.
Im Hinblick auf das Rekristallisationsverhalten ist zu beachten, dass durch den Schritt des Umformens eine Umformstruktur erhalten wird. Diese weist - wie in dem Fachgebiet bekannt ist - keine klaren, um einzelne Kristallkörner umlaufende Korngrenzen auf. Weiterhin weist sie eine Vielzahl von
Versetzungen auf. Im Rahmen der Rekristallisation findet dann eine
Kornneubildung statt. Hierbei entstehen zunächst kleine Kristalle mit klaren, umlaufenden Korngrenzen, die sich mit zunehmenden Rekristallisationsgrad vergrößern. Dabei wird der Anteil der Umformstruktur zunehmend reduziert, bis bei vollständig rekristallisierter Struktur keine oder nahezu keine
Umformstruktur mehr zwischen den neu gebildeten Kristallen verbleibt.
Eine nicht oder nur teilrekristallisierte Struktur kann - wie in dem Fachgebiet bekannt ist - durch pulvermetallurgische Untersuchungsmethoden erkannt werden. Beispielsweise wird zur Probenpräparation ein Querschnitt durch den Drahtendabschnitt (und ggf. auch durch den umgebenden Zusatzwerkstoff und Halterungsstift) hergestellt (insbesondere in der axialen Richtung), die dabei erhaltene Oberfläche in ein Harz eingebettet, geschliffen und poliert (z.B.
elektropoliert). Eine Unterscheidung zwischen einer nicht rekristallisierten, einer teilrekristallisierten und einer vollständig rekristallisierten Struktur kann in der Regel durch einen Fachmann bereits durch eine Untersuchung der
vorbereiteten Proben in einem Rasterelektronenmikroskop vorgenommen werden. Eine weitergehende Charakterisierung und insbesondere eine quantitative Auswertung des Rekristallisationsgrades wird vorzugsweise mittels einer EBSD-Analyse (EBSD: Electron Backscatter Diffraction;
deutsch: Elektronenrückstrahlbeugung) oder ggf. auch mittels einer
ECCI-Analyse (ECCI: Electron Channeling Contrast Imaging;
deutsch: Elektronen-Kanalisierungs-Kontrast-Bildgebung) der vorbereiteten Proben vorgenommen, wie es in dem Fachgebiet bekannt ist. Bei der
EBSD-Analyse können die Korngrenzen insbesondere durch Angabe eines „grain tolerance angle" (deutsch: Korntoleranzwinkel), der typischerweise bei 15° liegt, sichtbar gemacht werden. Bei der ECCI-Analyse sind die
Korngrenzen anhand der Kontrastunterschiede des erhaltenen Bildes sichtbar. Bei beiden Analysemethoden kann der Rekristallisationsgrad quantitativ ausgewertet werden, indem der Flächenanteil der durch Kornneubildung entstandenen Kristalle (die anhand vollständig umlaufender Korngrenzen erkennbar sind) relativ zu der Gesamtfläche bestimmt wird. In dem
vorliegenden Zusammenhang wird unter einer teil-rekristallisierten Struktur eine Struktur verstanden, in der durch Kornneubildung entstandene Kristallkörner von einer Umform-Struktur umgeben sind und bei der bezüglich einer
Querschnittfläche durch die teil-rekristallisierte Struktur diese Kristallkörner einen Flächenanteil im Bereich von 1 -90% bilden. Liegt der Flächenanteil der durch Kornneubildung entstandenen Kristallkörner im Bereich unter 1 % oder sind überhaupt keine, durch Kornneubildung entstandenen Kristallkörner in der Struktur vorhanden, so wird in dem vorliegenden Zusammenhang von einer nicht rekristallisierten Struktur ausgegangen. Liegt der Flächenanteil über 90%, so wird in dem vorliegenden Zusammenhang von einer vollständig
rekristallisierten Struktur ausgegangen.
Gemäß einer Weiterbildung wird der Zusatzwerkstoff durch mindestens ein abschnittsweise in einer Schmelzphase vorliegendes Formteil gebildet, das sich innerhalb der Aufnahme über einen axialen Längenabschnitt des
Drahtendabschnittes erstreckt und entlang dem axialen Längenabschnitt eine Führung für den Drahtendabschnitt innerhalb der Aufnahme bildet, wobei die stoffschlüssige Verbindung nur über einen Teilabschnitt des axialen
Längenabschnittes ausgebildet ist und wobei der Teilabschnitt innerhalb der Aufnahme axial beabstandet von dem Austrittspunkt des Drahtendabschnittes aus der Führung (sowie ggf. der Aufnahme) angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine räumliche Trennung zwischen dem Teilabschnitt des Drahtendabschnittes, in welchem im Rahmen der Herstellung der
stoffschlüssigen Verbindung ein Aufschmelzen des Formteils und damit eine Reduzierung der Festigkeit des Drahtendabschnittes (aufgrund stattfindender Rekristallisationsvorgänge) erfolgt und zwischen einem Krafteinwirkungspunkt, in dem auf das Emitter- oder Heizfilament ausgeübte Biegemomente einwirken, erzielt. Gemäß einer Weiterbildung erstreckt sich das Formteil und die durch das Formteil bereitgestellte Führung bis zu dem Austrittspunkt des
Drahtendabschnittes aus der Aufnahme. Vorzugsweise wird der
Zusatzwerkstoff nur durch genau ein Formteil gebildet. Ggf. können aber auch mehrere Formteile, die vorzugsweise in axialer Richtung auf dem
Drahtendabschnitt aufgereiht sind, vorgesehen sein.
Grundsätzlich sind für das Formteil unterschiedliche Formen möglich, wobei die Formgebung derart zu wählen ist, dass durch das betreffende Formteil über einen axialen Längenabschnitt hinweg eine Führung für den Drahtendabschnitt innerhalb der Aufnahme bereitgestellt wird. Beispielsweise kann das
Ausgangs-Formteil (vor Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung) durch eine axial geschlitzte Hülse, durch eine rohrförmige Hülse, durch mindestens zwei sich axial erstreckende Schalen, die über entsprechende Stege miteinander verbunden sind, etc., gebildet werden, wobei die Verwendung einer axial geschlitzten Hülse bevorzugt ist. Im Rahmen der Herstellung der
stoffschlüssigen Verbindung wird das Ausgangs-Formteil insbesondere in dem Bereich des Teilabschnittes aufgeschmolzen, wobei die ursprüngliche
Formgebung des Ausgangs-Formteils in den verbleibenden Abschnitten erhalten bleibt.
Gemäß einer Weiterbildung wird zumindest ein axialer Abschnitt des Formteils durch eine entlang der axialen Richtung geschlitzte Hülse gebildet, in welcher der Drahtendabschnitt aufgenommen ist. Für die Herstellung solch einer
Ausführung wird als Ausgangs-Formteil insbesondere eine geschlitzte Hülse eingesetzt. Insbesondere wird die geschlitzte Hülse (bzw. alternativ ein anderweitig ausgestaltetes Ausgangs-Formteil) über den Drahtendabschnitt geschoben und der Drahtendabschnitt sowie die Hülse (bzw. allgemein das Ausgangs-Formteil) werden innerhalb der Aufnahme vorzugsweise derart positioniert, dass zu der Seite des Emitter- oder Heizfilaments hin das Ende der Hülse (bzw. allgemein des Ausgangs-Formteils) und das Ende der Aufnahme bündig angeordnet sind. Anschließend wird die stoffschlüssige Verbindung vorzugsweise dadurch hergestellt, dass axial beabstandet von dem
Austrittspunkt des Drahtendabschnittes aus der Hülse (bzw. allgemein des Ausgangs-Formteils) innerhalb der Aufnahme in dem Bereich der
herzustellenden, stoffschlüssigen Verbindung Wärme (z.B. über ein
Strahlschweißverfahren) zugeführt wird und lokal in diesem Bereich der
Zusatzwerkstoff (sowie ggf. umliegendes Material des Halterungsstiftes und ggf. eine schmale Randzone des Drahtendabschnittes) aufgeschmolzen wird. Auf diese Weise wird in dem Bereich, in dem der Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen wird, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Halterungsstift und dem Drahtendabschnitt hergestellt, während in dem verbleibenden Bereichen der Zusatzwerkstoff weiterhin in Form einer geschlitzten Hülse (bzw. allgemein in der ursprünglichen Form des Ausgangs-Formteils) vorliegt und eine Führung des Drahtendabschnittes bereitstellt.
Gemäß einer Weiterbildung wird das Emitter- oder Heizfilament durch einen durchgehenden Draht gebildet. Dies bedeutet, dass der Elektronen bzw.
Wärme emittierende Abschnitt und die Drahtendabschnitte aus ein- und demselben Draht ausgebildet sind. Dies ist im Hinblick auf eine einfache und kostengünstige Herstellung vorteilhaft. Der Draht muss dabei nicht zwingend einen runden Querschnitt aufweisen (z.B. auch ovaler Querschnitt, flacher Querschnitt, etc. möglich). Im Hinblick auf eine einfache und kostengünstige Herstellung ist ein runder oder im Wesentlichen runder Querschnitt bevorzugt. Gemäß einer Weiterbildung wird das Emitter- oder Heizfilament durch eine Drahtwendel mit abstehenden Drahtendabschnitten gebildet. Eine derartige Ausbildung ist im Hinblick auf eine einfache und kostengünstige Herstellung vorteilhaft. Bei der Drahtwendel sind unterschiedliche Wendelquerschnitte der Wicklung möglich (z.B. dreieckförmig, Form eines liegenden D, kreisförmig, oval, etc.). Weiterhin kann der Wendelquerschnitt entlang der Wendelachse auch variieren. Gemäß einer Weiterbildung wird die Aufnahme durch einen stirnseitig beginnenden Spalt, der sich in radialer Richtung durchgehend und in axialer Richtung bis zu einer vorbestimmten Tiefe des Halterungsstiftes erstreckt, gebildet.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Filaments, insbesondere eines Röntgenkathodenfilaments, das nachfolgende Schritte aufweist:
A) Bereitstellen von mindestens einem Emitter- oder Heizfilament aus einem W-basierten Werkstoff, das abstehende Drahtendabschnitte (ebenfalls aus dem W-basierten Werkstoff) aufweist, sowie den Drahtendabschnitten jeweils zugeordneten Halterungsstiften aus einem hochschmelzenden Metall oder einer hochschmelzenden Metalllegierung, wobei die
Halterungsstifte stirnseitig jeweils eine Aufnahme aufweisen,
B) Einführen eines Drahtendabschnittes sowie eines
Ausgangs-Zusatzwerkstoffes aus V oder einer V-basierten Legierung in die Aufnahme eines zugehörigen Halterungsstiftes;
C) Erhitzen von zumindest einem Teil des Ausgangs-Zusatzwerkstoffes
derart, dass der nach dem anschließenden Abkühlen erhaltene
Zusatzwerkstoff stoffschlüssig mit dem Halterungsstift und stoffschlüssig mit dem Drahtendabschnitt verbunden ist und damit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Halterungsstift und Drahtendabschnitt erhalten wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine zuverlässige und
reproduzierbare Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung. Weiterhin werden die oberhalb in Bezug auf das erfindungsgemäße Filament, insbesondere Röntgenkathodenfilament, erläuterten Vorteile erzielt. Bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren sind die oberhalb, in Bezug auf das
erfindungsgemäße Filament, insbesondere Röntgenkathodenfilament, erläuterten Varianten und Weiterbildungen in entsprechender Weise
realisierbar.
Mit Ausgangs-Zusatzwerkstoff wird auf den Werkstoff Bezug genommen, der zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zusätzlich zu dem Drahtendabschnitt in die Aufnahme eingebracht wird und der vor dem Schritt des Erhitzens vorliegt. Der nach dem Schritt des Erhitzens vorliegende
Werkstoff wird dann als Zusatzwerkstoff bezeichnet. Dabei bestehen
unterschiedliche Möglichkeiten der Einbringung des
Ausgangs-Zusatzwerkstoffes, wie beispielsweise als zumindest einen axialen Längenabschnitt des Drahtendabschnittes umgebendes Ausgangs-Formteil (axial geschlitzte Hülse, rohrförmige Hülse, mindestens zwei sich axial erstreckende Schalen, die über entsprechende Stege miteinander verbunden sind, etc.), als Draht, als Plättchen oder Blech, als Paste, als Pulver, etc..
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Schritte des Einführens (Schritt B)) und des Erhitzens (Schritt C)) parallel an mehreren Drahtendabschnitten und den zugehörigen Halterungsstiften durchgeführt werden. Der„Bereich der herzustellenden Verbindung" umfasst zumindest einen Teilabschnitt des axialen Überlappungsbereiches zwischen Halterungsstift und Drahtendabschnitt. Wie bereits oberhalb erläutert wurde, bestehen verschieden Möglichkeiten, den Schritt des Erhitzens durchzuführen, wie beispielsweise eine Erwärmung der Gesamtanordnung in einem Ofen oder eine bevorzugte, lokale
Wärmezuführung durch ein Strahlschweißverfahren. Gemäß einer Weiterbildung erfolgt bei dem Schritt des Erhitzens die
Wärmezuführung lokal in dem Bereich der herzustellenden Verbindung, wodurch Alterungseffekte in dem Wärme abstrahlenden und/oder Elektronen emittierenden Bereich vermieden werden. Vorzugsweise erfolgt die direkte Wärmezuführung ausschließlich oder zumindest zu einem überwiegenden Anteil an den Ausgangs-Zusatzwerkstoff und/oder an einen an den Ausgangs- Zusatzwerkstoff angrenzenden Abschnitt des Halterungsstiftes, wobei in letzterem Fall der Ausgangs-Zusatzwerkstoff zumindest zu einem erheblichen Anteil durch Wärmeleitung erwärmt wird. Vorzugsweise erfolgt die direkte Wärmezuführung axial beabstandet von dem Austrittspunkt des
Drahtendabschnittes aus der Hülse bzw. allgemein des Ausgangs-Formteils (z.B. über ein Strahlschweißverfahren) in dem Bereich innerhalb der Aufnahme. Vorzugsweise erfolgt die Wärmezuführung über ein Strahlschweißverfahren. Gemäß einer Weiterbildung erfolgt der Schritt des Erhitzens durch
Laserschweißen. Hierdurch gelingt eine besonders effektive, lokal begrenzte Erwärmung, wobei bereits eine kurzzeitige Energiezuführung (Laserpuls) zum Aufschmelzen des Ausgangs-Zusatzwerkstoffes ausreichend ist.
Gemäß einer Weiterbildung wird der Schritt des Erhitzens ausgeführt, ohne dass der Halterungsstift und der Drahtendabschnitt durch eine Anpresskraft aneinander gepresst werden. Auf diese Weise werden im Vergleich zu einem Widerstandsschweißverfahren ein Verformen der Bauteile und/oder die
Einbringung von mechanischen Spannungen vermieden. Gemäß einer
Weiterbildung wird bei dem Schritt des Erhitzens Material des Halterungsstiftes (insbesondere Mo) aufgeschmolzen und es bildet mit dem Material des
Ausgangs-Zusatzmaterials eine Schmelzlegierung aus. Wie oberhalb erläutert wird, können so u.a. die Vorteile einer Schmelzpunkterhöhung genutzt werden. Ggf. kann auch noch eine schmale Randzone des Drahtendabschnittes aufgeschmolzen werden, so dass dann eine„Schweißverbindung" im
eigentlichen Sinne vorliegt.
Nach dem Schritt des Erhitzens (Schritt C)), insbesondere nach Durchführen des Strahlschweißverfahrens, erfolgt vorzugsweise noch eine
Wärmebehandlung (Entspannungsglühen) bei moderaten Temperaturen (d.h. deutlich unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Emitter- oder
Heizfilaments), um die eingebrachten Spannungen (insbesondere
Schweißspannungen) zu reduzieren. Die Wärmebehandlung kann
beispielsweise in einem Temperaturbereich von 800°C - 1.000°C über eine Zeitdauer von 1 Stunde durchgeführt werden.
Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 : eine Vorderansicht eines Röntgenkathodenfilaments gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2. eine Seitenansicht des Röntgenkathodenfilaments aus Fig. 1 mit einem im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung vergrößert dargestellten Ausschnitt; Fig. 3: eine dreidimensionale Darstellung einer axial geschlitzten Hülse in
Bezug auf eine zweite Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4: eine dreidimensionale Darstellung eines Teilbereichs eines
Röntgenkathodenfilaments gemäß einer zweiten Ausführungsform vor Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung; und
Fig. 5: eine Querschnittsdarstellung entlang der axialen Richtung und senkrecht zu der Wendelachse des in Fig. 4 dargestellten
Teilbereichs. In den Fig. 1 und 2 ist ein Röntgenkathodenfilament 2 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das
Röntgenkathodenfilament 2 weist ein als Drahtfilament ausgebildetes
Heizfilament 4 mit zwei abstehenden Drahtendabschnitten 6, 8 auf. Der Elektronen emittierende Abschnitt des Heizfilaments 4 ist dabei als
Drahtwendel 10 ausgebildet, wobei die Drahtendabschnitte 6, 8 durch die abstehenden Drahtenden der Drahtwendel 10 gebildet sind. Der Draht des Heizfilaments 4 ist aus Wolfram mit entsprechenden
Hochtemperatur-stabilisierenden Dotierungen (wie z.B. Kalium) gebildet. Ein geeignetes Material ist z.B. mit AKS dotiertes Wolfram, d.h. mit Aluminium, Kalium und Silizium dotiertes Wolfram. Ferner sind zwei, den beiden
Drahtendabschnitten 6, 8 zugeordnete Halterungsstifte 12, 14 aus Mo vorgesehen. Sie dienen zur mechanischen Halterung sowie elektrischen Kontaktierung des Heizfilaments 4. Die Halterungsstifte 12, 14 sind jeweils von der Stirnseite 16 beginnend mit einem Spalt 18 versehen, der sich in radialer Richtung 20 vollständig durch den jeweiligen Halterungsstift 12, 14 erstreckt und der sich in axialer Richtung 22 bis zu einer vorbestimmten Tiefe erstreckt.
Die Anordnung ist dabei derart, dass die Drahtwendel 10 eine Wendelachse 23 definiert. Der Wendelquerschnitt ist bei der dargestellten Ausführungsform kreisförmig und konstant über den Verlauf der Wendelachse 23. Die
Drahtendabschnitte 6, 8 stehen senkrecht von der Wendelachse 23 ab und verlaufen parallel zueinander. Die Halterungsstifte 12, 14 sind mit ihrer axialen Richtung 22 ebenfalls parallel zu den Drahtendabschnitten 6, 8 ausgerichtet. Vorliegend weist die Drahtwendel 10 nachfolgende Abmessungen und
Parameter auf:
Außendurchmesser der Drahtwendel; 1 ,7 mm
Steigung: 37 Windungen auf eine Gesamtlänge von 12,7 mm
Drahtdurchmesser: 0,25 mm
Gesamthöhe (Höhe der Drahtendabschnitte + Durchmesser der Wendel):
6,2 mm
Durch den Spalt 18 wird der jeweilige Halterungsstift 12 bzw. 14 in dem betreffenden Endabschnitt in zwei Halterungsfüße 24, 26 unterteilt, die sich jeweils entlang der axialen Richtung 22 erstrecken. In der Darstellung in Fig. 1 ist jeweils der zu dem Betrachter zugewandte Halterungsfuß 24 abgeschnitten dargestellt, um die Position der Drahtendabschnitte 6, 8 zu zeigen. Die
Spalte 18 bilden jeweils eine Aufnahme für die Drahtendabschnitte 6, 8. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Drahtendabschnitte 6, 8 im
Wesentlichen mittig in den Aufnahmen der Halterungsstifte 12, 14 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die Drahtendabschnitte 6, 8 nicht bis zu dem Spaltgrund 28, sondern sind etwas von diesem
beabstandet. Die Drahtendabschnitte 6, 8 sind durch eine stoffschlüssige Verbindung über einen Zusatzwerkstoff 30 mit dem jeweiligen
Halterungsstift 12 bzw. 14 verbunden.
Der Zusatzwerkstoff 30 liegt bei der dargestellten Ausführungsform vollständig als Schmelzphase vor. Er wird durch eine Schmelzlegierung aus V, Mo und W gebildet, wobei diese einen deutlich höheren Anteil an V und nur einen sehr geringen Anteil an W enthält (die Zusammensetzung variiert dabei über den Bereich der Schmelzlegierung, d.h. sie ist gradiert). Wie anhand des
vergrößerten Ausschnittes der Fig. 2 ersichtlich ist, benetzt der
Zusatzwerkstoff 30 den Drahtendabschnitt 8 über einen, innerhalb des
Spaltes 18 angeordneten, axialen Abschnitt des Drahtendabschnittes 6
(welcher axiale Abschnitt dem Überlappungsbereich zwischen dem
Drahtendabschnitt 8 und dem Halterungsstift 14 entspricht) hinweg über mindestens 85 % des Umfangs. Insbesondere wird der in Fig. 2 dargestellte Drahtendabschnitt 8 an einem oberen, axialen Abschnitt vollumfänglich durch den Zusatzwerkstoff 30 benetzt, während er an einem unteren, axialen
Abschnitt zu einem Anteil von mindestens 85 % des Umfangs benetzt wird. Auch die Innenwand der Halterungsfüße 24, 26 wird jeweils zumindest über die Breite des Drahtendabschnittes 6, 8 und über die Länge des axialen
Abschnittes hinweg durch den Zusatzwerkstoff benetzt.
Zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung wird ein
Laserschweißverfahren eingesetzt. Ein Ausführungsbeispiel für ein derartiges Herstellungsverfahren wird nachfolgend beschrieben. Aufgrund der kurzzeitigen und nur lokalen Erwärmung verbleiben die Drahtendabschnitte zumindest in dem Bereich des Austrittspunktes des Drahtendabschnittes 8 aus dem Spalt 18 in einer nicht rekristallisierten Struktur.
Es wird das oberhalb beschriebene Heizfilament 4 in den stirnseitig
bearbeiteten Spalt 18 (Spaltbreite: 0,3 mm) der Halterungsstifte 12, 14 eingebracht. Die Halterungsstifte 12, 14 weisen jeweils einen Durchmesser von 1 ,5 mm und eine Länge von 24 mm auf. Zur präzisen und stabilen
Positionierung der Einzelteile zueinander wird eine Montagevorrichtung verwendet, die auch zur Aufnahme und Fixierung des drahtförmigen
Ausgangs-Zusatzwerkstoffes (bildet einen Schweißzusatzwerkstoff für das Laserschweißverfahren) geeignet ist. Als Ausgangs-Zusatzwerkstoff wird ein Drahtstück aus reinem Vanadium mit einem Durchmesser von 0,25 mm und einer Länge von 2 mm verwendet. Nach der Montage der gereinigten Einzelteile in die Schweißvorrichtung wird die Schweißanordnung auf dem Koordinatentisch einer Laserschweißanlage mit dem Justierlaser auf die genaue Schweißposition einjustiert. Dabei wird der Laserstrahl entlang der radialen Richtung 20 und parallel zu der
Erstreckungsrichtung des Spaltes 18 mittig (bzgl. der axialen Richtung des Spaltes) auf den, innerhalb des Spaltes 18 angeordneten
Ausgangs-Zusatzwerkstoff gerichtet. Der Auftreffpunkt 32 des Laserstrahls ist dabei schematisch in Fig. 2 eingezeichnet. Der Fokus des Laserstrahls liegt 5 mm radial beabstandet zum Drahtendabschnitt 8, der die axiale Richtung definiert (d.h. der Fokus liegt im materialfreien Raum). Für den Laserschweißvorgang wird ein gepulster Yb: YAG - Scheibenlaser
(Yb: Ytterbium; YAG: Yttrium-Aluminium-Granat) mit einer Wellenlänge von 1030 nm (nm: Nanometer) eingesetzt. Die eingestellten Laserparameter umfassen 200 W (W: Watt) Strahlleistung und eine Pulslänge von 800 ms (Millisekunden). Es wird eine stationäre Laseroptik mit einer Brennweite von 200 mm eingesetzt. Der Schweißvorgang wird unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Vorliegend wird Argon als Schutzgas verwendet.
Durch den Laserschweißvorgang werden der Ausgangs-Zusatzwerkstoff im Wesentlichen vollständig und ein Teil des Materials der Halterungsstifte 12, 14 (insbesondere im Bereich des Auftreffpunktes des Laserstrahls) sowie ggf. eine schmale Randzone des Drahtendabschnittes 8 aufgeschmolzen. Bei der Durchführung des Laserschweißverfahrens ist darauf zu achten, dass bei dem Drahtendabschnitt 8 allenfalls eine schmale Randzone aufgeschmolzen wird, um diesen möglichst wenig zu schwächen. Dadurch bildet sich eine
Schmelze, die V aus dem Ausgangs-Zusatzwerkstoff und Mo aus den
Halterungsstiften 12, 14 sowie ggf. W aus dem Drahtendabschnitt 8 enthält. Nach Erstarren derselben wird der oberhalb beschriebene Zusatzwerkstoff erhalten, der eine Schmelzlegierung, die V und Mo sowie ggf. zu einem geringen Anteil W enthält, bildet. Anschließend wird ein Entspannungsglühen bei 1 .000 °C über 1 Stunde durchgeführt.
Nach dem Laserschweißen werden die hergestellten
Röntgenkathodenfilamente 2 jeweils einer Bauteilprüfung unterzogen.
Dabei können im Rahmen einer visuellen Prüfung äußere Qualitätsmerkmale der Schweißverbindung beurteilt werden, wie z.B. Riss- bzw. Porenbildung, Benetzung und Spaltfüllung mit dem Zusatzwerkstoff. In weiteren
Untersuchungen werden die Mikrostruktur der Schweißzone und die Festigkeit der Schweißverbindung durch Zugversuche sowie Biegeversuche beurteilt. Je nach konkreter Ausgestaltung des Heizfilaments und der Halterungsstifte können in Abhängigkeit von diesen Untersuchungen die Parameter des Schweißvorgangs und/oder die Menge und Anbringung des Ausgangs- Zusatzmaterials noch optimiert werden. Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 eine zweite
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei wird vorwiegend auf die Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform, die unter
Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert wurde, eingegangen. Für gleiche oder einander entsprechende Bauteile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, wobei diese jeweils mit einem zusätzlichen Strich versehen sind.
Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform wird als
Ausgangs-Zusatzwerkstoff ein Ausgangs-Formteil in Form einer axial geschlitzten Hülse 34' aus Vanadium eingesetzt. Diese ist in Fig. 3 vergrößert dargestellt. Allgemein sind für eine axial geschlitzte Hülse 34' insbesondere eine Höhe h' im Bereich von 1 ,5 - 3,0 mm, insbesondere im Bereich
von 2,0 - 2,5 mm (vorliegend beispielsweise 2,2 mm), und eine
Wandstärke s' von 20 - 150 pm, insbesondere im Bereich von 50 - 100 μιη (vorliegend beispielsweise 90 pm), geeignet. Der Außendurchmesser d' wird derart gewählt, dass in einer Einsatzstellung, in welcher die Hülse 34' über den zugehörigen Drahtendabschnitt 6' geschoben und die Anordnung innerhalb der Aufnahme (vorliegend: Spalt 18') positioniert ist, beidseitig jeweils ein Spielraum (in radialer Richtung) v' von ca. 10 - 30 pm (vorliegend beispielsweise 20 pm) gegeben ist. Die Spaltbreite b' beträgt im entspannten Zustand einige
Mikrometer (z.B. im Bereich von 5 - 50 pm, vorliegend ca. 5 pm) und die Hülse 34' ist derart ausgelegt, dass der Spalt dann, wenn die Hülse 34' über den zugehörigen Drahtendabschnitt 6' geschoben ist, nur geringfügig aufgeweitet wird.
Im Rahmen der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung wird zunächst eine Anordnung, wie sie in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist, hergestellt. Hierzu wird die Hülse 34' über den zugehörigen Drahtendabschnitt 6' geschoben. Dann werden diese in den Spalt 18' eingeführt, bis das obere (d.h. zu der Seite der Drahtwendel 10' hin ausgerichtete) Ende der Hülse 34' und das obere (d.h. zu der Seite der Drahtwendel 10' hin ausgerichtete) Ende des Spaltes 18' bündig angeordnet sind. Zu der Seite des Spaltgrundes 28' hin steht das untere Ende der Hülse 34' etwas über das untere Ende des Drahtendabschnittes 6' über. Die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung erfolgt, indem in einer Laserschweißanlage mittels eines Laserstrahls lokal in dem Bereich der herzustellenden, stoffschlüssigen Verbindung Wärme zugeführt wird. Der Laserstrahl wird hierzu parallel zu oder leicht schräg zu der Spaltrichtung in den Spalt 18' derart gerichtet, dass der Fokus auf Material des angrenzend an die Hülse 34' angeordneten Halterungsstiftes 12' und/oder auf Material der
Hülse 34' gerichtet ist. Der Fokus ist dabei axial von dem oberen Ende des Spaltes 18' in Richtung zu dem Spaltgrund 28' hin versetzt. Je nach
Wandstärke der Hülse 34' kann dabei auch eine etwas geringere Strahlleistung als bei der ersten Ausführungsform und/oder eine kürzere Behandlungszeit gewählt werden. Die Strahlleistung und Behandlungszeit werden derart gewählt, dass bezogen auf einen axialen Längenabschnitt I', über welchen sich der Drahtendabschnitt 6' und die Hülse 34' überlappen, nur über einen
Teilabschnitt t' des axialen Längenabschnitts I' Material der Hülse 34' und zu einem geringeren Anteil Material des Halterungsstiftes 12' sowie ggf. zu einem noch geringeren Anteil Material aus einer Randzone des
Drahtendabschnittes 6' aufgeschmolzen werden und dadurch die
stoffschlüssige Verbindung über die Länge des Teilabschnittes t' hergestellt wird. Insbesondere weist der Teilabschnitt t' eine Länge von 0,2 - 1 ,5 mm (vorliegend 0,7 mm) auf und erstreckt sich bis zu dem unteren (d.h. zu dem Spaltgrund 28' hin ausgerichteten) Ende des Drahtendabschnittes 6'. Dabei kann auch Material der Hülse 34' bis hinunter in den Spaltgrund 28' fließen und das untere Ende des Drahtendabschnittes 6' einbetten. Durch die
Wärmezuführung wird die Festigkeit des Materials des Drahtendabschnittes 6' lokal in dem Bereich des Teilabschnittes t' etwas reduziert (aufgrund
stattfindender Rekristallisationsvorgänge). Indem gemäß der zweiten
Ausführungsform aufgrund der Führung durch die Hülse 34' dieser leicht geschwächte Bereich des Drahtendabschnittes 6' beabstandet von dem
Krafteinwirkungspunkt P', in dem auf das Heizfilament 4' und insbesondere auf die Drahtwendel 10' ausgeübte Biegemomente einwirken, ist, wird das Risiko von Ermüdungserscheinungen und insbesondere Ermüdungsbrüchen des Drahtendabschnittes 6' reduziert.

Claims

Patentansprüche
Filament, insbesondere Röntgenkathodenfilament, aufweisend
mindestens ein Emitter- oder Heizfilament (4; 4') aus einem W- basierten Werkstoff mit abstehenden Drahtendabschnitten (6, 8; 6') und den Drahtendabschnitten (6, 8; 6') jeweils zugeordnete Halterungsstifte (12, 14; 12') aus einem hochschmelzenden Metall oder einer
hochschmelzenden Metalllegierung zur Fixierung und elektrischen Kontaktierung der Drahtendabschnitte (6, 8; 6'), wobei mindestens ein Halterungsstift (12, 14; 12') stirnseitig eine Aufnahme (18; 18') aufweist, in der ein Drahtendabschnitt (6, 8; 6') aufgenommen ist und innerhalb der Aufnahme (18; 18') stoffschlüssig mit dem Halterungsstift (12, 14; 12') verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die stoffschlüssige Verbindung über einen Zusatzwerkstoff (30) aus V oder einer V-basierten Legierung, der stoffschlüssig mit dem Drahtendabschnitt (6, 8; 6') sowie stoffschlüssig mit dem
Halterungsstift (12, 14; 12') verbunden ist, hergestellt wird.
Filament gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Zusatzwerkstoff (30) zumindest abschnittsweise in einer Schmelzphase vorliegt.
Filament gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff (30) zumindest über einen innerhalb der Aufnahme (18; 18') angeordneten, axialen Abschnitt des Drahtendabschnittes (6, 8; 6') hinweg den Drahtendabschnitt (6, 8; 6') über mindestens 75% des Umfangs benetzt und zumindest in diesem Bereich in einer Schmelzphase vorliegt.
Filament gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungsstifte (12, 14; 12') aus Mo oder einer Mo-basierten Legierung gebildet sind. Filament gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff (30) zumindest abschnittsweise in einer Schmelzphase vorliegt und dass die Schmelzphase eine
Schmelzlegierung bildet, die zumindest V und Mo als Legierungsmetalle enthält.
Filament gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtendabschnitt (6, 8; 6') in dem Bereich des Austrittspunktes des Drahtendabschnittes (6, 8; 6') aus der Aufnahme (18; 18') in einer nicht rekristallisierten Struktur vorliegt.
Filament gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff durch mindestens ein abschnittsweise in einer Schmelzphase vorliegendes Formteil (34') gebildet wird, das sich innerhalb der Aufnahme (18') über einen axialen Längenabschnitt ( ) des Drahtendabschnittes (6') erstreckt und entlang dem axialen Längenabschnitt (Γ) eine Führung für den
Drahtendabschnitt (6') innerhalb der Aufnahme (18') bildet, wobei die stoffschlüssige Verbindung nur über einen Teilabschnitt (f) des axialen Längenabschnittes (Γ) ausgebildet ist und wobei der Teilabschnitt (f) innerhalb der Aufnahme (18') axial beabstandet von dem Austrittspunkt des Drahtendabschnittes (6') aus der Führung angeordnet ist.
Filament gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein axialer Abschnitt des Formteils durch eine entlang der axialen
Richtung geschlitzte Hülse (34') gebildet wird, in welcher der
Drahtendabschnitt (6') aufgenommen ist.
Filament gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Emitter- oder Heizfllament (4; 4') durch eine Drahtwendel (10, 10') mit abstehenden Drahtendabschnitten (6, 8; 6') gebildet wird.
10. Filament gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme durch einen stirnseitig beginnenden Spalt (18; 18'), der sich in radialer Richtung (20) durchgehend und in axialer Richtung (22) bis zu einer vorbestimmten Tiefe des
Halterungsstiftes (12, 14; 12') erstreckt, gebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines Filaments, insbesondere eines
Röntgenkathodenfilaments (2), aufweisend nachfolgende Schritte:
A) Bereitstellen von mindestens einem Emitter- oder Heizfilament (4; 4') aus einem W-basierten Werkstoff mit abstehenden
Drahtendabschnitten (6, 8; 6') sowie den
Drahtendabschnitten (6, 8; 6') jeweils zugeordneten
Halterungsstiften (12, 14; 12') aus einem hochschmelzenden Metall oder einer hochschmelzenden Metalllegierung, wobei die Halterungsstifte (12, 14; 12') stirnseitig jeweils eine
Aufnahme (18; 18') aufweisen,
B) Einführen eines Drahtendabschnittes (6, 8; 6') sowie eines
Ausgangs-Zusatzwerkstoffes (34') aus V oder einer V-basierten Legierung in die Aufnahme (18; 18') eines zugehörigen
Halterungsstiftes (12, 14; 12');
C) Erhitzen von zumindest einem Teil des
Ausgangs-Zusatzwerkstoffes (34') derart, dass der nach dem anschließenden Abkühlen erhaltene Zusatzwerkstoff (30) stoffschlüssig mit dem Halterungsstift (12, 14; 12') und stoffschlüssig mit dem Drahtendabschnitt (6, 8; 6') verbunden ist und damit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Halterungsstift (12, 14; 12') und Drahtendabschnitt (6, 8; 6') erhalten wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt des Erhitzens die Wärmezuführung lokal in dem Bereich der herzustellenden Verbindung erfolgt. 13. Verfahren gemäß Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erhitzens durch Laserschweißen erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schritt des Erhitzens ausgeführt wird, ohne dass der Halterungsstift (12, 14; 12') und der Drahtendabschnitt (6, 8; 6') durch eine Anpresskraft aneinander gepresst werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass bei dem Schritt des Erhitzens Material des
Halterungsstiftes (12, 14; 12') aufgeschmolzen wird und mit dem Material des Ausgangs-Zusatzmaterials (34') eine Schmelzlegierung ausbildet.
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