РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА С ВРАЩАЮЩИМСЯ АНОДОМ Российский патент 1997 года по МПК H01J35/10 

Изобретение относится к медицинской диагностике, в частности к рентгеновским трубкам металлокерамической конструкции с вращающимся анодом на гидродинамической опоре со спиральными канавками, и может быть использовано для рентгеновских диагностических аппаратов широкого профиля с излучением большой мощности.

Известна рентгеновская трубка с вращающимся анодом [1] установленным на опоре скольжения с жидкой металлической смазкой на основе галлия (Ga). Опора вращающегося анода представляет собой два подшипника скольжения сферический и конический с шевронными профильными канавками на рабочих поверхностях. Недостатком этой конструкции является малая надежность за счет низкой жесткости сферического подшипника и возможности заклинивания конического подшипника, что усложнило конструкцию трубки и потребовало введения дополнительного подшипника качения и компенсационного пружинного элемента.

Известна также рентгеновская трубка с вращающимся анодом [2] поддерживающейся опорой скольжения цилиндрического типа со спиральными канавками с металлической смазкой рабочего зазора на основе галлия, висмута, индия (Ga, Bi, In). Известная самоподдерживающаяся цилиндрическая опора скольжения со спиральными канавками позволяет, как указано в описании патента, нести только симметричную нагрузку, что вызывает дополнительные трудности в изготовлении и эксплуатации изделия. Кроме того, указанная конструкция критична по угловой жесткости, что накладывает определенные ограничения в эксплуатации рентгеновской трубки при проведении медицинских исследований.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому изобретению является конструкция рентгеновской трубки с вращающимся анодом [3] содержащая металлическую вакуумную камеру, в которой расположены катод и вращающийся анод, поддерживающийся цилиндрической опорой скольжения со смазкой рабочего зазора сплавом жидких металлов галлия, индия, олова (Ga, In, Sn) и профилированной спиральными канавками. Опора скольжения представляет собой самоподдерживающуюся опору скольжения цилиндрического типа с одним подпятником. На рабочих поверхностях опоры цилиндрической и двух плоских подпятника, выполнены шевронные канавки, причем цилиндрическая поверхность разделена выемкой на два пояса шевронных канавок, что делит ее на два радиальных подшипника, а развязка осевого и радиального подшипников в опоре происходит фаской у основания цилиндрической поверхности. При этом в подпятнике выполнен канал для подпитки радиальных подшипников смазкой.

Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются недостаточная надежность опоры скольжения вращающегося анода и сложность сборки опоры. Указанный недостаток является следствием того, что из-за неизбежных технологических погрешностей изготовления шевронных канавок, а также перекосов вызванных внешними возмущениями при эксплуатации трубки может нарушиться равенство встречных потоков смазки в шевронном профиле, что приведет к утечке смазки и падению давления в рабочем зазоре, т.е. к снижению надежности. Введение канала в подпятнике для подпитки смазкой радиального подшипника не обеспечивает эффективного равномерного снабжения смазкой всей опоры. Кроме того, цилиндрическая опора с одним подпятником критична к восприятию гироскопической реакции вращающегося анода.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности рентгеновской трубки с вращающимся анодом.

Указанная цель достигается благодаря тому, что на цилиндрической рабочей поверхности опоры скольжения выполнена кольцевая канавка, полость которой каналами соединена с полостью со смазкой вне рабочего зазора опоры, при этом дно канавки имеет уклоны к ее центру, профильные спиральные канавки выполнены по обе стороны кольцевой канавки, образуя по два ряда встречно направленных несоединяющихся канавок, причем один ряд спиральных канавок имеет выход к торцу опоры, другой в полость кольцевой канавки, на торцевых поверхностях цилиндра выполнены спиральные канавки имеющие выход к центральному осевому отверстию.

На фиг. 1 изображена предлагаемая рентгеновская трубка с вращающимся анодом на гидродинамической опоре скольжения; на фиг. 2 узел вращающегося анода на опоре со спиральными канавками.

Устройство (фиг. 1) содержит металлический корпус 1, в котором посредством изоляторов 2 и 3 установлены катод 4 и узел вращающегося анода (фиг. 2), состоящего из диска 5, изготовленного из композитного материала на основе углекерамики с вольфрамовым покрытием на рабочей поверхности, обеспечивающим максимальную теплопроводность, гидродинамической опорой 6, состоящей из вращающегося элемента 7, на котором закреплен ротор 8 двигателя, и невращающегося элемента 9, закрепленного через вал 10, втулку 11 и изолятор 2 в корпусе 1 трубки. Невращающийся элемент 9 опоры изготовлен в виде металлического цилиндра, на рабочей поверхности которого выполнена кольцевая канавка 12, по обе стороны от которой выполнены по два ряда спиральных микроканавок 13 и 14. На торцевых поверхностях цилиндра 9 также имеются спиральные канавки 15. Полость кольцевой канавки 12 связана с полостью уплотнения на неподвижном валу вне зоны рабочего зазора тонкими (капиллярными) каналами 16. Расположение кольцевой канавки, геометрические параметры спиральных канавок (угол наклона, протяженность, глубина, ширина) определяются из условия обеспечения силовых характеристик конкретной конструкции трубки. Для выхода рентгеновского излучения служит окно 17, изготовленное из материала прозрачного для рентгеновского излучения, например бериллия.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При включении электропривода рентгеновской трубки за счет активной части ротора 8 происходит вращения анода 5 и вращающегося элемента 7 гидродинамической опоры 6. При этом происходит вовлечение в рабочий зазор опоры смазочного вещества, составленного из жидкого металлического сплава на основе легкоплавких элементов 3 группы Периодической Системы Д.И. Менделеева. При вращении ротора 8 при наличии спирального микропрофиля 13, 14, 15 на неподвижном цилиндре 9 из-за вязкости смазка увлекается в зоны гладкой рабочей поверхности 18, где происходит ее уплотнение при одновременном сдвиге и сдавливании, обеспечивая необходимые силовые характеристики опоры. При достижении ротором номинальных оборотов происходит подача высокого напряжения (150 кВ) на излучатель электронов катод 4. Поток электронов, облучая быстровращающийся анод 5, возбуждает рентгеновское излучение, направляемое через окно 17 на исследуемый объект.

Выполнение встречно направленных несоединяющихся канавок 14, 13 на цилиндрической рабочей поверхности опоры 6 позволяет увеличить давление в смазочном слое в зоне уплотнения (гладкая зона) и получить не только необходимые силовые характеристики опоры, которые обеспечивают сканирование трубки при проведении исследований, но и повысить надежность опоры, за счет предотвращения перетекания смазки в случае несимметричности ее тока. При появлении случайных нештатных силовых возмущений при проведении исследований возможно выдавливание смазочной жидкости из зоны рабочего зазора опоры и обеднение некоторых ее участков смазкой. В этом случае избыток вытесненного объема смазки в несмачиваемой полости запорного уплотнения увлекается через систему тонких (0,5-0,7 мм) каналов 16 в полость кольцевой канавки 12 и возвращается вновь в зону рабочего зазора.

Для предотвращения возможного нештатного распыления смазочной среды в полость рентгеновской трубки при длительной ее эксплуатации предусмотрены конструктивные меры в виде выполнения улавливающих лабиринтов между вращающимися и невращающимися частями и покрытия лабиринтного зазора ротора 8 слоем благородного металла для улавливания (прилипания) капель смазки.

Предлагаемое устройство может быть выполнено в двух вариантах с предварительным подогревом и без обогрева.

Конструкция рентгеновской трубки с предварительным подогревом выполнена таким образом, что при нормальных условиях в состоянии поставки, хранения, а также в составе рентгеновской установки при отсутствии питающих напряжений на электродах, электроприводе смазываемая среда в рабочем зазоре гидродинамической опоры подвеса вращающегося анода находится в "замороженном" состоянии. Это обусловлено тем, что температура рекристаллизации некоторых легкоплавких сплавов на основе галлия составляет примерно 30^oC. Для этого в камере трубки имеется встроенный термоэлемент, который перед работой трубки разогревает смазочную среду до жидкого состояния, а затем производят штатный запуск трубки.

В случае конструкции рентгеновской трубки без предварительного подогрева смазки подбираются компоненты сплава на основе легкоплавких элементов, обеспечивающие жидкое состояние смазки в необходимых температурных условиях работы изделия.

По результатам проведенных исследований для рентгеновской установки с подводимой мощностью 100 кВт разработана трубка с вращающимся анодом массой примерно 0,5 кг на гидродинамической опоре цилиндрического типа со следующими параметрами:
Скорость вращения анода 9000 об/мин,
Длина цилиндра 60 мм, диаметр 40 мм,
Кольцевая канавка шириной 20 мм, глубиной 0,6 мм,
Дренажные каналы диаметром примерно 0,7 мм,
на цилиндре один пояс спиральных канавок с параметрами протяженность 9,5 мм, перемычка 6 мм, угол наклона 60^o, относительная ширина 0,7, глубина 20 мкм;
второй пояс спиральных канавок с параметрами: протяженность 5,5 мм, перемычка 4 мм, угол наклона 35^o, относительная ширина 0,6, глубина 15 мкм,
на торцевой части цилиндра спиральные канавки с параметрами: угол наклона 30^o, относительная ширина 0,7, глубина 20 мкм, относительная протяженность 0,8,
рабочий зазор 20-25 мкм,
смазка сплав галлия, индия.

Предлагаемая конструкция рентгеновской трубки по сравнению с прототипом за счет значительного повышения жесткостных характеристик опоры обладает высокой надежностью.

Источники информации:
1. Патент США N 4856039, МКИ H 01 J 35/10, 08.08.89.

2. Патент США N 4644577, МКИ H 01 J 35/10, 17.02.87.

3. Патент США N 5077775, МКИ H 01 J 35/10, 31.12.91.

Использование: изобретение относится к медицинской технике, в частности к рентгеновским трубкам с вращающимся анодом на гидродинамической опоре со спиральными канавками, и может быть использовано для рентгеновских диагностических аппаратов широкого профиля с излучением большой мощности. Сущность изобретения: рентгеновская трубка с вращающимся анодом содержит вакуумную камеру, в которой расположены катод и вращающийся анод, поддерживающийся цилиндрической опорой скольжения со смазкой рабочего зазора смесью легкоплавких металлов на основе галлия, на цилиндрической рабочей поверхности выполнена кольцевая канавка, полость которой каналами соединена с полостью со смазкой вне рабочего зазора, профильные спиральные канавки выполнены по обе стороны кольцевой канавки, образуя по два ряда встречно направленных несоединяющихся канавок, причем один ряд спиральных канавок имеет выход в полость кольцевой канавки, другой ряд имеет выход к торцу опоры, на торцевых поверхностях цилиндра выполнены спиральные канавки, имеющие выход к центральному осевому отверстию. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Рентгеновская трубка с вращающимся анодом, содержащая вакуумную камеру, в которой расположены катод и вращающийся анод, поддерживающийся цилиндрической опорой скольжения со спиральными канавками со смазкой из жидкого металла, имеющей на цилиндрической поверхности кольцевую канавку, в которую входят с обеих сторон спиральные канавки, другие концы которых имеют выход к торцу опоры, на которой выполнены также спиральные канавки, отличающаяся тем, что спиральные канавки на цилиндрической поверхности разделены на два пояса встречно направленных несоединяющихся канавок, спиральные канавки на торце опоры имеют выход к центральному осевому отверстию, причем полость кольцевой канавки соединена с объемом смазки на неподвижном валу вне зоны рабочего зазора опоры капиллярными каналами в теле вала. 2. Трубка по п.1, отличающаяся тем, что расположение кольцевой канавки определено силовыми характеристиками опоры, а пояса спиральных канавок имеют разные длину, ширину и углы наклона канавок.