ВРАЩАЮЩИЙСЯ АНОД РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ Российский патент 2000 года по МПК H01J35/10 

Изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно к вращающимся анодам рентгеновских трубок, применяемых в медицинской диагностике.

Известен вращающийся анод рентгеновской трубки, при изготовлении которого на несущий слой молибдена наносят посредством штамповки с быстрой деформацией слой-мишень из вольфрама, после чего с помощью высокотемпературного напыления увеличивают толщину несущего слоя до уровня, достаточного для обеспечения хорошего теплоотвода при работе на больших мощностях (пат. США N 4641333 (з. N 773725 от 09.09.85), МКИ H 01 J 35/10, НКИ 378-144 (РЖ ИСМ 128-12-87)).

Однако данная конструкция анода достаточно сложна в изготовлении, а также имеет большой вес, что приводит к высокой нагрузке на подшипники при вращении анода и, как следствие, снижению ресурса трубки.

Наиболее близким техническим решением к изобретению, по технической сущности - прототипом, является вращающийся анод рентгеновской трубки, содержащий вольфрамовую мишень и титановый корпус, который за счет низкого удельного веса облегчает работу узла вращения анода (заявка Франции N 2592987 (з. N 8600318 от 10.01.86), заявитель Thomson-CGR, МКИ H 01 J 35/10 (РЖ ИСМ 128-03-88)).

Однако известная конструкция не позволяет эффективно охлаждать зону фокусной дорожки из-за низкой теплопроводности титана, что при работе анода на больших мощностях может привести к перегреву области титанового корпуса, прилегающую к зоне фокусной дорожки. Выполнение основного корпуса из титана в расчете на то, что низкую теплопроводность титана можно компенсировать увеличением диаметра анода и его скорости вращения, приводит к увеличению размеров рентгеновских трубок и, как следствие, размеров и веса излучателя рентгеновского аппарата. Кроме того, увеличение диаметра и скорости вращения приводит к дополнительным требованиям к узлу вращения и балансировке анода, что весьма затруднительно из-за низкой плотности титана.

Формула для расчетов температур анодов, приведенная авторами прототипа, позволяет оценивать только максимальную температуру фокусного пятна при кратковременных экспозициях (0,01-0,1 с), в основном зависящую от теплопроводности материала мишени, в то время как при достаточно больших временах экспозиции (1-10 с) возникает опасность перегрева не только мишени, но и корпуса анода.

Кроме того, большая разница коэффициентов линейного расширения титана и вольфрама приводит к высоким термонапряжениям в аноде, что отрицательно сказывается на сроке службы анода и его надежности.

Задачей авторов является увеличение срока службы и повышение нагрузочной способности вращающегося анода.

Для решения поставленной задачи авторы предлагают во вращающемся аноде рентгеновской трубки, выполненном из основного корпуса и размещенной на его поверхности мишени, основной корпус выполнять из двух или более слоев, причем внутренний слой или слои, прилегающие к мишени, выполнять из материалов, теплопроводность которых составляет не менее 0,8 от теплопроводности материала мишени, а внешний слой или слои выполнять из титана или его сплавов, при этом толщины слоев основного корпуса выбираются из соотношения

где T_п - температура плавления внешнего слоя основного корпуса, T - температура тыльной поверхности анода в зоне фокусной дорожки, Q - мощность теплового потока при эксплуатации анода, b - толщина анода в зоне фокусной дорожки, h_o - толщина мишени, h₁ - толщина слоев корпуса, прилегающих к мишени, L - коэффициент теплопроводности внешнего слоя подложки, D - диаметр фокусной дорожки, d - ширина фокусного пятна.

Слой корпуса, прилегающий к мишени, может быть выполнен из молибдена или его сплавов.

При выполнении внутреннего слоя, прилегающего к мишени, из материала, теплопроводность которого составляет не менее 0,8 от теплопроводности материала мишени (вольфрама или молибдена), как показали расчетно-экспериментальные исследования, при толщине этого слоя, определенной по приведенной формуле, перегрева зоны фокусной дорожки не происходит.

Выбирая оптимальное соотношение толщин мишени и слоев корпуса, можно при заданных режимах эксплуатации рентгеновской трубки подобрать толщину мишени минимальной, что приводит к упрощению изготовления анода и уменьшению его стоимости из-за меньшего расхода материала мишени.

Температура тыльной поверхности анода в зоне фокусной дорожки может быть измерена экспериментально или оценена по формулам
T = T₀ + T₁,


где Q - мощность теплового потока при эксплуатации анода, t_e и t_p - времена экспозиции и перерыва между экспозициями, σ - постоянная Стефана - Больцмана, ε и S - степень черноты и площадь поверхности анода, ρ₀, V₀, С₀ - плотность, объем и удельная теплоемкость мишени, ρ₁, V₁, C₁ и ρ₂, V₂, C₂ - плотности, объемы и удельные теплоемкости промежуточного и основного слоев корпуса анода соответственно.

Температура, определяемая по приведенным формулам, соответствует максимальной температуре основного корпуса анода при его многократной эксплуатации в наиболее напряженном режиме.

Выполнение слоя, прилегающего к мишени, из молибдена или его сплавов, коэффициент теплопроводности которых выше коэффициента теплопроводности вольфрама, наиболее часто применяемого для изготовления мишеней рентгеновских трубок, позволяет даже при небольшой толщине мишени избегать перегрева зоны фокусной дорожки. Кроме того, величина коэффициента линейного расширения молибдена находится между величинами соответствующих коэффициентов титана и вольфрама, что позволяет уменьшить уровень термонапряжений в аноде и, как следствие, повысить его нагрузочную способность.

При необходимости увеличения теплопроводности анода можно увеличивать его диаметр или располагать на тыльной поверхности основного корпуса слой или слои материалов с высокой теплоемкостью, например графит, TiC, Al₂O₃ и т.д.

Пример конкретного выполнения
Основной корпус анода рентгеновской трубки выполняют из слоев титана и молибдена, диаметр анода составляет 102 мм, толщина центральной части - 13 мм, а угол конусности рабочей поверхности - 17^o. Толщина слоя молибдена составляет 1 мм, диаметр фокусной дорожки - 86 мм, ширина фокусной дорожки - 4 мм. На рабочую поверхность анода наносят (например, из парогазовой фазы) слой вольфрамовой мишени толщиной 0,5 мм. Как показали расчетно-экспериментальные исследования, при непрерывной эксплуатации анода в режиме с интенсивностью потока тепла 7,5 кВт, временем экспозиции 10 с с перерывом между экспозициями 6 минут температура тыльной поверхности анода в зоне фокусной дорожки не превышает 980^oC, температура титанового слоя не превышает 1190^oC. Оценка максимальной температуры по приведенным формулам дает значение максимальной температуры титанового слоя - 1270^oC.

Заявляемая конструкция анода обеспечивает в сравнении с прототипом повышенные нагрузочную способность и срок службы рентгеновской трубки.

Изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно к вращающимся анодам рентгеновских трубок, применяемых в медицинской диагностике. Технический результат - увеличение срока службы и нагрузочной способности вращающегося анода. Анод выполнен из основного корпуса и размещенной на его поверхности мишени. Основной корпус выполнен из двух или более слоев, причем внутренний слой или слои, прилегающие к мишени, выполнены из материалов, теплопроводность которых составляет не менее 0,8 от теплопроводности материала мишени, а внешний слой или слои выполнены из титана или его сплавов. Толщины слоев основного корпуса определены аналитическим варажением. 1 з.п. ф-лы.

1. Вращающийся анод рентгеновской трубки, выполненный из основного корпуса и размещенной на его поверхности мишени, отличающийся тем, что основной корпус выполнен из двух или более слоев, причем внутренний слой или слои, прилегающие к мишени, выполнены из материалов, теплопроводность которых составляет не менее 0,8 от теплопроводности материала мишени, а внешний слой или слои выполнены из титана или его сплавов, при этом толщины слоев основного корпуса выбраны из соотношения

где T_п - температура плавления внешнего слоя основного корпуса;
T - температура тыльной поверхности анода в зоне фокусной дорожки;
Q - мощность теплового потока при эксплуатации анода;
b - толщина анода в зоне фокусной дорожки;
h₀ - толщина мишени;
h₁ - толщина слоев корпуса, прилегающих к мишени;
L - коэффициент теплопроводности внешнего слоя корпуса;
D - диаметр фокусной дорожки;
d - ширина фокусного пятна. 2. Вращающийся анод рентгеновской трубки по п.1, отличающийся тем, что слой основного корпуса, прилегающий к мишени, выполнен из молибдена или его сплавов.