РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА Российский патент 1995 года по МПК H01J35/26 

Изобретение относится к рентгеновским трубкам с вращающимся анодом, работающим в циклическом режиме, и может быть использовано в томографах большой мощности для медицинских исследований.

Известна рентгеновская трубка, содержащая вращающийся анод, выполненный в виде перевернутой чаши, которая частично погружена в ванну с легкоплавким металлом и опирается на подшипник, установленный на опоре, охлаждаемой хладагентом [1]
Однако использование в известной рентгеновской трубке в качестве рабочего тела металла с низким давлением пара обусловливает невысокую интенсивность ее охлаждения. Кроме того, конструктивная схема охлаждения анода данной рентгеновской трубки исключает возможность сканирования рентгеновского излучения в вертикальной плоскости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является рентгеновская трубка, содержащая вакуумную колбу, катодный узел, статор и вращающийся анод, состоящий из мишени и цилиндрического полого корпуса, внутри которого с образованием зазора, заполненного жидким металлом с низким давлением пара, установлен аккумулятор тепла, соединенный с системой охлаждения проточным хладагентом [2]
Однако конструкция рентгеновской трубки не является оптимальной с точки зрения интенсивности ее охлаждения, что обусловлено передачей тепловой энергии от мишени к системе проточного хладагента только за счет теплопроводности материала анода. С другой стороны, из-за ограниченной площади теплоотдачи в аккумуляторе тепла при пиковых тепловых нагрузках возможно вскипание хладагента, что также существенно снижает эффективность охлаждения рентгеновской трубки.

Требуемый технический результат заключается в интенсификации охлаждения мощных рентгеновских трубок, работающих в циклическом режиме.

Требуемый технический результат достигается тем, что в рентгеновской трубке, содержащей вакуумную колбу, катодный узел, статор и вращающийся анод, состоящий из мишени и цилиндрического полого корпуса, внутри которого с образованием зазора, заполненного жидким металлом с парциальным давлением ниже давления в вакуумной колбе, установлен аккумулятор тепла, соединенный с системой охлаждения проточным хладагентом, цилиндрический полый корпус вращающегося анода представляет собой центробежную тепловую трубу, выполненную в виде двух симметрично размещенных относительно центральной оси один в другом стаканов с замкнутой полостью между ними, при этом внутренняя поверхность стенки наружного стакана тепловой трубы образована поверхностью кругового усеченного конуса и соединена с его дном посредством сужающегося к дну конического кольца, на котором расположена мишень, а внешняя поверхность дна внутреннего стакана центробежной тепловой трубы снабжена концентрическими кольцевыми выступами, скошенными со стороны анода под углом не более 45^о к поверхности дна и распределенными по диаметру с одинаковым шагом, дополнительно введена низкотемпературная тепловая труба, встроенная зоной испарения во внутреннюю полость аккумулятора тепла, выполненного в виде стакана с двойными стенками с полостью между ними, зона конденсации этой трубы контактирует с зоной размещения проточного хладагента системы охлаждения, замкнутое пространство между стенками аккумулятора заполнено легкоплавким металлом, причем объем этого пространства обратно пропорционален теплоемкости и теплоте плавления последнего.

Кроме того, для достижения оптимального технического результата центробежная тепловая труба заправлена эвтектическим натрий-калиевым сплавом с температурой плавления не выше 273 К, замкнутое пространство в аккумуляторе тепла заполнено литием, а в качестве теплоносителя для низкотемпературной тепловой трубы использована вода.

Анализ научно-технической литературы показал, что до даты подачи заявки отсутствовали рентгеновские трубки с указанной совокупностью существенных признаков. Следовательно, предложение отвечает требованию новизны.

Кроме того, требуемый технический результат достигается введенной совокупностью существенных признаков, которая в известной литературе не обнаружена. Следовательно, предложение отвечает изобретательскому уровню.

При этом рентгеновская трубка содержит в своем составе известные элементы, а конструкция оригинальных элементов детально раскрыта в описании и графическом материале. Следовательно, предложение отвечает требованию промышленной применимости.

На чертеже представлена предлагаемая конструкция рентгеновской трубки.

Рентгеновская трубка содержит вращающийся анод 1 и катодный узел 2, установленные внутри вакуумной колбы 3, и статор 4, размещенный снаружи. Корпус вращающегося анода 1 представляет собой центробежную тепловую трубу, выполненную в виде двух симметрично расположенных относительно центральной оси один в другом стаканов 5 и 6, замкнутая полость между которыми частично заполнена жидкометаллическим теплоносителем с температурой плавления не выше 273 К, например, эвтектическим натрий-калиевым сплавом.

Внутри стакана 6 с образованием зазора установлен аккумулятор тепла 7, выполненный в виде стакана с полыми стенками с замкнутым пространством между ними, заполненным легкоплавким металлом. Объем этого пространства обратно пропорционален теплоемкости и теплоте плавления применяемого легокоплавкого металла. Боковая стенка наружного стакана 5 анода 1 соединяется с его дном посредством сужающегося конического участка, на котором размещена мишень 8. Зазор между стаканом 6 и аккумулятором тепла 7 заполнен жидким металлом 9 с низким давлением пара, например, галлием или галлий-индиевым сплавом. Внутренняя боковая поверхность наружного стакана 5 выполнена конической, расширяющейся в сторону мишени 8, а внешняя поверхность дна внутреннего стакана 6 снабжена концентрическими кольцевыми выступами 10, скошенными со стороны центральной оси под углом не более 45^о и распределенными по диаметру с одинаковым шагом. По оси анода 1 введена низкотемпературная тепловая труба 11, зона испарения которой встроена во внутреннюю полость аккумулятора тепла 7, а зона конденсации контактирует с проточным хладагентом 12 системы охлаждения. Вращение корпуса анода 1 обеспечивается с помощью подшипников 13, для которых внешняя стенка аккумулятора тепла 7 служит неподвижной опорой.

Предотвращение утечки жидкого металла 9 из зазора при вращении анода 1 осуществляется с помощью винтообразных пазов 14, выполненных на внутренней поверхности стакана 6. Рентгеновское излучение на объект выводится через окно 15.

Предлагаемая рентгеновская трубка работает следующим образом.

Подача электрического тока на обмотки статора 4 обеспечивает вращение анода 1 со скоростью 6000-9000 об/мин, в результате которого создаются центробежное ускорение и его осевая составляющая: ω^2.R^.sin α, где α угол между осью анода 1 и внутренней поверхностью наружного стакана 5. Величина осевой составляющей центробежного ускорения при указанных скоростях вращения анода 1 и значении угла α около 2^о достигает нескольких десятков g, что обеспечивает подвод к мишени 8 жидкометаллического теплоносителя при любой ориентации анода 1 в пространстве. При бомбардировке электронами мишени 8 за рабочий цикл рентгеновской трубки выделяется большое количество тепла, которое, распространяясь по толщине материала анода 1, испаряет жидкометаллический теплоноситель, находящийся в области мишени 8. Образовавшийся пар, осаждаясь по всей внутренней поверхности анода 1, в результате конденсации равномерно прогревает его и рост температуры происходит до тех пор, пока не начинает плавиться легкоплавкий металл в аккумуляторе тепла 7, который прогревается через слой жидкого металла 9. При этом конденсат жидкометаллического теплоносителя под действием центробежных сил и их осевой составляющей переносится обратно к мишени 8.

Концентрические кольцевые выступы 10 осуществляют сброс конденсата теплоносителя с поверхности дна внутреннего стакана 6 на поверхность дна наружного стакана 5, обеспечивая тем самым подвод конденсата к мишени 8 со стороны центральной оси анода 1.

За счет плавления металла, которое сопровождается поглощением тепловой энергии, в аккумуляторе тепла 7 достигается стабилизация температуры анода на достаточно низком ее уровне. Например, для рентгеновской трубки томографа мощностью до 50 кВт, работающей в течение 5 с, достаточно заполнить аккумулятор тепла 7 не более 0,2 кг лития, чтобы он поглотил всю выделившуюся на мишени 8 тепловую энергию, при этом его температура не превысит 470 К.

Отвод тепловой энергии из аккумулятора тепла 7 осуществляется в периоды между рабочими циклами рентгеновской трубки с помощью низкотемпературной тепловой трубы 11. Тепловые трубы, обладая высокими теплопередающими характеристиками, осуществляют трансформацию тепловых потоков, которую можно использовать для уменьшения плотности теплового потока в зоне конденсации тепловой трубы 11 за счет увеличения ее площади по сравнению с площадью зоны испарения. Это позволяет исключить вскипание хладагента 12 в системе охлаждения при пиковых тепловых нагрузках. В этом отношении наиболее высокими теплопередающими характеристиками в интервале температур 330-470 К обладает тепловая труба с водой в качестве теплоносителя, которая способна передать в систему охлаждения всю запасенную тепловую энергию в аккумуляторе тепла 7 за несколько минут и охладить его до стартовой температуры ≈ 350 К.

Следующий рабочий цикл рентгеновской трубки можно проводить после охлаждения аккумулятора тепла 7 до стартовой температуры, что фиксируется по температуре стенки тепловой трубы 11.

Таким образом, благодаря введению новых элементов и соответствующих им связей достигается технический результат, поскольку выполнение корпуса анода 1 в виде центробежной тепловой трубы обеспечивает эффективное охлаждение мишени 8 и выравнивание температуры всего анода 1 за счет испарительно-конденсационного процесса жидкометаллического теплоносителя. Выполнение внутренней поверхности наружного стакана 5 корпуса анода 1 в виде конуса, направленного расширяющейся частью в сторону мишени 8, обусловливает подвод к ней жидкометаллического теплоносителя в осевом направлении при любой ориентации анода 1 в пространстве за счет центробежных сил. Благодаря наличию на внешней поверхности дна внутреннего стакана 6 концентрических кольцевых выступов 10 со скосами обеспечивается равномерный подвод жидкометаллического теплоносителя к мишени 8 со стороны центральной оси анода 1, что существенно улучшает условия его охлаждения.

Использование в центробежной тепловой трубе в качестве теплоносителя натрий-калиевого сплава с температурой плавления не выше 273 К позволяет осуществлять запуск рентгеновской трубки в работу при комнатной температуре без предварительного прогрева. Выполнение аккумулятора тепла 7 в виде коаксиального контейнера, заполненного легкоплавким металлом, позволяет стабилизировать температуру на достаточно низком уровне за счет скрытой теплоты плавления. Введение в систему охлаждения низкотемпературной тепловой трубы позволяет интенсифицировать отвод тепловой энергии из аккумулятора тепла 7, а также исключить вскипание хладагента в системе охлаждения за счет трансформации тепловых потоков в тепловой трубе 11.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет сократить время охлаждения рентгеновской трубки, работающей в циклическом режиме не менее чем в 4 раза.

Использование: рентгеновская техника при создании рентгеновских трубок с вращающимся анодом. Сущность изобретения: рентгеновская трубка содержит вращающийся анод 1, катодный узел 2, вакуумную колбу 3, статор 4, стаканы 5,6, аккумулятор 7 тепла, мишень 8, жидкий металл 9, концентрические кольцевые выступы 10, тепловую трубу 11, проточный хладагент 12. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА, содержащая вакуумная колбу, катодный узел, статор и вращающийся анод, состоящий из мишени и цилиндрического полого корпуса, внутри которого с образованием зазора, заполненного легкоплавким металлом с парциальным давлением ниже рабочего давления в вакуумной колбе, установлен аккумулятор тепла, соединенный с системой охлаждения проточным хладагентом, отличающаяся тем, что цилиндрический полый корпус вращающегося анода выполнен в виде центробежной тепловой трубы, состоящей из двух симметрично размещенных относительно центральной оси один в другом стаканов с замкнутой полостью между ними, при этом внутренняя поверхность стенки наружного стакана тепловой трубы образована поверхностью кругового усеченного конуса и соединена с его дном посредством сужающегося к дну конического кольца, на котором расположена мишень, а внешняя поверхность дна внутреннего стакана центробежной тепловой трубы снабжена концентрическими кольцевыми выступами, скошенными со стороны оси анода под углом не более 45^o к поверхности дна и распределенными по диаметру с одинаковым шагом, дополнительно введена низкотемпературная тепловая труба, встроенная зоной испарения во внутреннюю полость аккумулятора тепла, выполненного в виде стакана с двойными стенками с полостью между ними, зона конденсации этой трубы контактирует с зоной размещения проточного хладагента системы охлаждения, замкнутое пространство, образованное полостью между стенками аккуумулятора тепла, заполнено легкоплавким металлом, при этом объем этого пространства обратно пропорционален теплоемкости и теплоте плавления последнего. 2. Рентгеновская трубка по п.1, отличающаяся тем, что центробежная тепловая труба заполнена электрическим натрий-калиевым сплавом с температурой плавления не выше 273 К, замкнутое пространство аккумулятора заполнено литием, а в качестве теплоносителя для низкотемпературной тепловой трубы использована вода.