ВРАЩАЮЩИЙСЯ АНОД РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ Российский патент 1994 года по МПК H01J35/10 

Изобретение относится к технической физике и направлено на дальнейшее совершенствование наиболее ответственного узла рентгеновского аппарата - рентгеновской трубки, и может быть использовано при изготовлении комбинированных анодов мощных рентгеновских трубок с вращающимся анодом, применяемых, например, в рентгено-диагностических аппаратах.

В настоящее время в рентгеновских трубках находят широкое применение комбинированные мишени, состоящие из молибденового и графитового дисков, соединенных между собой.

Соединение молибдена с графитом в таких конструкциях осуществляется пайкой с применением припоев на основе циркония, титана, гафния и др. Ввиду различия коэффициентов термического расширения молибдена и графита, а также других физико-механических характеристик этих материалов паяные соединения между ними имеют остаточные напряжения, которые могут привести к разрушению комбинированной мишени при нагревах и охлаждениях в процессе эксплуатации.

Известна конструкция вращающегося анода рентгеновской трубки, содержащая графитовую подложку с нанесенным на нее по крайней мере одним слоем из тугоплавкого металла или сплава [1]. Углубления в графитовой подложке выполнены в виде распределенной по поверхности подложки системы глухих отверстий, причем расстояние между соседними отверстиями - не более ширины фокусной дорожки, и заполнены материалом наносимого слоя.

Данная конструкция позволяет повысить качество закрепления тугоплавкого слоя на графитовой подложке, однако не обеспечивает интенсивного отвода тепла и балансировку анода.

Извеcтна конcтрукция вращающего анода, cодержащего диcк из тяжелого металла c центральным отверcтием, в центральном отверcтии раcположена втулка, выполненная заодно c диcком [2]. Графитовая деталь охватывает втулку. В процеccе пайки графитовой детали к диcку втулка и кольцевой выcтуп по наружному диаметру диcка cоздают ванночку для раcплавленного припоя и предотвращают вытекание его из зоны пайки.

Наиболее близкой к предложенной конструкции является конструкция анода, который содержит металлическую пластину из тяжелого металла, графитовую подложку, прилегающую к стороне металлической пластины. В графитовой подложке выполнены сквозные отверстия, оканчивающиеся глухими отверстиями в металлической пластине.

Отверстия выполнены для улучшения балансировки вращающегося анода. Однако температура излучающей поверхности графита ниже температуры металлической детали (из-за его низкой теплопроводности), это ограничивает возможность повышения излучающей способности от графитовой детали и приводит к перегреву тугоплавкой детали и снижению надежности всего анода. Кроме того, термические напряжения в паяном шве, возникающие из-за разности в коэффициентах теплового расширения (КТР) соединяемых материалов, существенно снижают запас прочности, а недостаточная эффективность охлаждения анода и низкая прочность паяного шва, снижают надежность работы всей конструкции.

Целью изобретения является повышение надежности анода путем увеличения интенсивности отвода тепла и повышения прочности паяного соединения.

Это достигается тем, что во вращающемся аноде рентгеновской трубки, содержащем диск из тяжелого металла или сплава, соединенного с графитовой подложкой пайкой, в графитовой подложке выполнены сквозные отверстия, продолжающиеся в диске, диск имеет тонкостенный кольцевой выступ, охватываемый графитом, в отверстия графитовой подложки впаяны металлические гильзы, величина заглубления которых в тело диска больше толщины дна гильзы, внутренний диаметр гильзы выбирают из соотношения:
l > 8d, где l - глубина гильзы;
d - внутренний диаметр гильзы. Поставленная цель достигается благодаря тому, что увеличена протяженность паяного шва, так как поверхность гильз припаяна к графитовой подложке; обеспечивается чередование пайки между однородными металлургическими совместимыми материалами: металл-металл (дно гильзы к диску) и разнородными - металл-графит (гильза к подложке и подложка к гильзе). Гильзы, имея значительную глубину при малом диаметре отверстия, выполняют роль абсолютно черного тела и увеличивают излучающую способность (которая пропорциональна температуре в четвертой степени). Гильзы при этом увеличивают поверхность графита, контактирующую с металлом, имеющим высокую теплопроводность, что улучшает отвод тепла от графита.

Все это способствует снижению температуры анода, исключает его перегрев в процессе эксплуатации и повышает надежность его в работе.

На фиг.1 изображен предложенный анод до пайки, общий вид; на фиг.2 - то же, после пайки.

Вращающийся анод рентгеновской трубки содержит диск 1 из тяжелого металла. На поверхности диска 1 у центрального отверстия 2 закреплен кольцевой выступ в виде тонкостенной втулки 3. Графитовая подложка 4 охватывает втулку 3 и установлена на торцевой поверхности диска 1 так, что сквозные отверстия 5, выполненные в подложке 4, являются продолжением глухих отверстий 6 в диске 1. Отверстия 5 и 6 расположены симметрично оси анода, что позволяет обеспечить балансировку анода при его вращении. В отверстиях 5 и 6 установлены тонкостенные гильзы 7 так, что заглубленность гильз в диске 1 больше толщины дна 8 гильзы 7. На поверхность диска нанесен слой 9 вольфрам-рениевого сплава. Гильзы 7 выполнены из материала, КТР которого близок КТР материала диска 1, между диском 1 и графитовой подложкой 4 размещен припой 10. В процессе пайки создается паяный шов сложной конфигурации. Он формируется в месте контакта диска 1 с графитовой подложкой, охватывает наружную поверхность гильз по всей протяженности, а в донной части паяный шов соединяет гильзы и поверхность глухих отверстий в диске 1.

Устройство работает следующим образом.

При бомбардировке мишени - слоя 9 анод нагревается. Отвод тепла с диска 1 осуществляется с поверхности графитовой подложки 4, так как графит имеет высокую степень черноты, однако теплопроводность его невелика, поэтому температура излучающей поверхности графита ниже температуры диска 1, выполненного из металла. Гильзы, установленные в отверстиях графитовой подложки и припаянные к графиту, выполняют роль абсолютно черного тела. Экспериментально установлено, что размеры отверстия в гильзах обеспечивают работу отверстия как абсолютно черного тела, при выполнении условия l > 8d, где l - глубина отверстия в гильзе, d - внутренний диаметр гильзы. В процессе работы анода металлические стенки отверстия, работающего как абсолютно черное тело, повышают излучающую способность и, как следствие, увеличивают теплоотвод от графитовой детали и металлического диска. Увеличена также эффективность отвода тепла от металлического диска к графиту, так как увеличена поверхность контакта графита с металлом через поверхность металлических гильз.

При охлаждении после пайки из-за разности КТР материала подложки 4 и диска 1 в паяном шве возникают термические напряжения. Тонкостенные выступ и гильзы, являясь охватываемыми графитовой деталью, за счет своей деформационной способности релаксируют часть термических напряжений, возникающих в этой части паяного шва, уменьшают их уровень. Это делает более надежной работу анода, который в процессе эксплуатации испытывает многократные термические циклы "нагрев-охлаждение" в диапазоне температур 20-1500^оС. Заглубление гильзы в тело диска осуществляют на величину, большую толщины дна гильзы. Это позволяет исключить контакт толстостенной донной части гильзы с графитовой подложкой и возникновение термических напряжений в этой части паяного шва, релаксировать которые не представится возможным. Заглубление позволяет осуществить паяный шов на уровне дна не с графитовой деталью, а с деталью металлического диска, КТР материала которой близок КТР материала гильзы, и напряжения в паяном шве в месте соединения этих материалов практически не возникают, так как соединение идет между однородными материалами.

Напряжения, возникающие в плоскости, параллельной оси гильзы, снимаются за счет деформационной способности боковых стенок гильз, которые, являясь тонкостенными, релаксируют напряжения, возникающие в паяном шве. В плоскости, перпендикулярной оси, прочность конструкции на срез обеспечивается не только паяным швом, но и конструктивной прочностью гильз в плоскости паяного шва. Наличие отверстий в графите уменьшает протяженность паяных участков "графит-металл" и тем самым снижает величину максимальных термических напряжений в паяном шве.

При пайке молибденового диска к графитовой подложке при реализации конструкции анода-прототипа перепад температур между молибденом и графитом составил 560^оС. При реализации предложенной конструкции, когда в отверстия графитовой подложки впаивали шесть молибденовых гильз внутренним диаметром 4 мм, глубиной 36 мм, толщиной стенки гильзы 0,5 мм, величина заглубления 4 мм при толщине дна гильзы 3 мм, перепад температур между молибденом и графитом составил ≈290^оС.

При одной и той же мощности нагрева температура молибдена в конструкции прототипа 1490^оС, а в предложенной конструкции - 1380^оС. Снижение перегрева молибденовой детали приводит к тому, что устройство может работать на больших мощностях потока электронов либо при прежней мощности, но с большей надежностью.

Использование: в области рентгенотехники. Сущность изобретения: анод содержит диск из тяжелого металла или сплава с глухими отверстиями, снабженный тонкостенной кольцевой центральной втулкой, охватываемой графтовой подложкой. В подложке выполнены сквозные отверстия, каждое из которых расположено напротив соответствующего глухого отверстия в диске. В сквозные отверстия впаяны тонкостенные гильзы, величина заглубления дна которых в тело диска больше толщины дна гильзы. Гильзы выполнены из материала с коэффициентом теплового расширения, близким к коэффициенту теплового расширения материала диска. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ВРАЩАЮЩИЙСЯ АНОД РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ, содержащий диск из тяжелого металла или сплава с глухими отверстиями и присоединенную к нему пайкой графитовую подложку, в которой выполнены сквозные отверстия, каждое из которых расположено напротив соответствующего глухого отверстия в диске, отличающийся тем, что диск снабжен тонкостенной кольцевой центральной втулкой, охватываемой графитовой подложкой, в сквозные отверстия подложки впаяны тонкостенные гильзы, величина заглубления дна которых в тело диска больше толщины дна гильзы, при этом гильзы выполнены из материала с коэффициентом теплового расширения, близким к коэффициенту теплового расширения материала диска. 2. Анод по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр d гильзы выбран из соотношения l > 8d, где l - глубина гильзы.