АНОД РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ Российский патент 2001 года по МПК H01J35/08 H01J35/10 H05G1/02 

Изобретение относится к области рентгеновской техники, а более конкретно к анодам рентгеновских трубок (РТ), и может быть использовано в медицине для диагностики и терапии, в технических устройствах для неразрушающего контроля изделий и научных исследований для проведения рентгеноструктурного анализа материалов.

Известен анод РТ, состоящий из 3-х слоев, верхний из которых (мишень) выполнен из поликристаллического вольфрамового сплава, например, W-Re, следующий за ним промежуточный слой - из вольфрама или вольфрамового сплава с более низким значением предела текучести, чем у первого слоя, а последний слой (подложка) - из молибдена или молибденового сплава [см. Патент США N 4331902, НКИ 313-330, опубл. 25.05.82 г.].

Реализация указанного технического решения позволяет повысить стойкость материала фокусной дорожки к растрескиванию в условиях термоциклирования при рабочих температурах за счет выбора оптимального соотношения прочностных характеристик мишени и промежуточного слоя между мишенью и подложкой. Материал подложки в этом случае не является определяющим в деформационном поведении материала в зоне фокусной дорожки и выполнен из молибдена или его сплава для снижения веса анода.

Сложность этой конструкции предопределяет ее высокую стоимость, а растрескивание мишени в полной мере не устраняется из-за невысокой исходной пластичности поликристаллического вольфрама и ее снижения в процессе эксплуатации анода вследствие сегрегации примесей по границам зерен. Это обстоятельство вынуждает использовать для мишени W-Re сплав, что заметно улучшает ситуацию, но дополнительно повышает стоимость анода из-за дороговизны Re. Эта конструкция реализуется методом порошковой металлургии и поэтому анод содержит повышенное содержание газообразующих примесей, что ставит проблему поддержания высокого вакуума в РТ при длительном ресурсе.

Известен анод, выполненный из тугоплавкого монокристаллического металла. При использовании металлов с объемно-центрированной кристаллической решеткой (ОЦК) на рабочую поверхность анода выводится наиболее плотноупакованная кристаллографическая плоскость (110) [см. Патент США N 3160779, НКИ 313-330, опубл. 8.12.64 г.].

Использование монокристаллического анода приводит к повышению стойкости материала в зоне фокусной дорожки при циклических тепловых нагрузках за счет прежде всего более высокой пластичности и теплопроводности монокристаллического материала в сравнении с поликристаллическим.

Известен также биметаллический анод с мишенью и подложкой из упрочненных монокристаллических сплавов [см. Патент РФ N 2029408, МКИ⁶ H 01 J 35/00, опубл. 20.02.95].

Преимущество известных монокристаллических анодов состоит в том, что содержание примесей, в том числе газообразующих, в монокристаллических материалах на 1-2 порядка ниже, чем у поликристаллических.

Однако общим недостатком анодов монокристаллических материалов является их высокая стоимость, примерно в 1,5 - 2 раза превышающая стоимость их поликристаллических аналогов того же материального состава. По этой причине такие аноды в настоящее время не нашли широкого промышленного использования, несмотря на их преимущества по эксплуатационным характеристикам.

Задачей настоящего изобретения является снижение стоимости монокристаллических анодов при одновременном повышении их долговечности (количество циклов нагружения до появления трещин в зоне фокусной дорожки).

Поставленная задача решается тем, что анод, по меньшей мере, мишень которого выполнена из тугоплавкого монокристаллического металла или его сплава, выполнен с разориентацией кристаллических блоков в диапазоне 5 - 20^o.

Предлагаемое техническое решение обосновывается следующим образом.

Монокристаллические металлы имеют существенное преимущество по комплексу прочностных и теплофизических характеристик перед поликристаллическими при малых углах разориентации кристаллических блоков до примерно 5^o (малоугловые границы блоков), а далее снижается их предел текучести при одновременной деградации и других свойствах. При углах разориентации более 20^o материал становится поликристаллическим со свойствами, присущими обычному поликристаллическому материалу.

По указанным причинам использование монокристаллических материалов считается технически оправданным лишь до углов разориентации блоков менее 5^o во всех областях техники. Например, в электрогенерирующих каналах термоэмиссионных реакторов-преобразователей, где монокристаллические материалы нашли широкое применение как единственно возможный материал, обеспечивающий длительный ресурс и стабильность выходных электрических параметров преобразователя, разориентация блоков не превышает 5^o (Gontar A.S. et al. Merits of the refractory single crystals metals in application of the TFE. Proc. of 31 IECEC, 1996, August 11-16, v. 2, pp. 951-956, Washington).

Известные монокристаллические аноды РТ в настоящее время также выполняются с малоугловыми границами блоков < 5^o. (В частности, контракт НИИ НПО "Луч" с COMET, паспорт-сертификат 760076 ПС).

В то же время жесткое требование по углам разориентации кристаллических блоков является основной причиной высокой стоимости таких анодов. Дело в том, что монокристаллические аноды РТ и подложки биметаллических анодов получают методом бестигельной зонной плавки и для реализации указанного требования по углам разориентации необходимо ограничивать скорость вытягивания монокристалла с целью ограничения термонапряжений и ростовых дислокаций, т. е. затягивается энергоемкий, не поддающийся автоматизации технологический процесс и соответственно растет стоимость монокристаллического анода.

Расчетно-экспериментальные исследования авторов показали, что при тепловом нагружении анода накопление пластической деформации с образованием разориентированных ячеек в пределах кристаллических блоков в зоне фокусной дорожки происходит в течение примерно 10⁴ циклов нагружения, в то время как общее число циклов за ресурс составляет 10⁵ - 10⁶. Характерный размер ячеек, как известно, составляет 1 - 2 мкм, а предел текучести такого деформированного материала растет обратно пропорционально корню квадратному из размера этих ячеек, т.е. в пределах блоков материал сильно упрочняется, но в целом сохраняет пластичность за счет легкого проскальзывания по границам деформационного происхождения (Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов. М.: Металлургия, 1986. - 224 с., Трефилов В.И., Мильман Ю.В. , Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов. Киев, Наукова Думка, 1975. - 315 с.).

Таким образом, поведение монокристаллического материала в зоне фокусной дорожки в течение лишь примерно 10% ресурса определяется исходными свойствами, а далее формируется другая структура, в большой мере отвечающая цели достижения длительного ресурса (высокая прочность в сочетании с характерной для монокристаллических материалов высокой пластичностью). Для этих условий допустимо выбирать исходный монокристаллический материал с разориентацией блоков в пределах 5 - 20^o. Наличие блочной структуры с такой угловой разориентацией не оказывает влияния на формирование ячеистой структуры в процессе эксплуатации анода. Использование монокристалла с более высокой угловой разориентацией (> 20^o) приводит к развитию нарушений сплошности по большеугловым границам блоков еще до формирования ячеистой структуры, то есть такой материал имеет свойства поликристалла.

Таким образом, выбор углов разориентации кристаллических блоков в диапазоне 5 - 20^o является предпочтительным, так как в области, непосредственно примыкающей к фокусной дорожке и сохраняющейся в неперестроенном состоянии, выбранный материал имеет более низкое значение предела текучести, т.е. реализуется оптимальное с точки зрения деформационного поведения фокусной дорожки соотношение прочностных характеристик материала дорожки и примыкающего слоя. Такая же схема соотношения свойств материала фокусной дорожки и подслоя реализовывалась в описанном выше аналоге за счет использования разнородных поликристаллических материалов. В предлагаемой конструкции эта задача решается соответствующим выбором характеристик исходного монокристаллического материала с учетом кинетики его структурных измерений при эксплуатации.

Приведены результаты (см. таблицу) расчетов долговечности и максимального перепада температуры в фокусном пятне для предлагаемого авторами анода в сравнении с ранее известными (аналогом и прототипом). Для расчетов использовались следующие характерные геометрические и эксплуатационные характеристики анода диагностической РТ: диаметр 80 мм; величина фокусного пятна 0,6 мм; тепловая нагрузка 22 кВт, скорость вращения 2800 об/мин.

Видно, что анод предлагаемой конструкции по долговечности заметно превосходит прототип, но выполнен из более дешевого монокристаллического материала, который относится к браку при принятых в настоящее время критериях выбора монокристаллического материала (< 5^o).

Изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно к анодам рентгеновских трубок, и может быть использовано в медицине для диагностики и в технических устройствах для рентгеноструктурного анализа материалов и других областях науки и техники. Изобретение позволяет снизить стоимость монокристаллических анодов при одновременном повышении их долговечности. Для снижения стоимости и повышения долговечности монокристаллических анодов, по меньшей мере, мишень анода изготавливают из тугоплавких монокристаллических металлов или сплавов с разориентацией кристаллических блоков в диапазоне 5-20°. 1 табл.

Анод рентгеновской трубки, по меньшей мере, мишень которого выполнена из тугоплавкого монокристаллического металла или его сплава, отличающийся тем, что монокристаллический материал выполнен с разориентацией кристаллических блоков в диапазоне 5 - 20^o.