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

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.

Общим недостатком, присущим анодам рентгеновских трубок, является разрушение материала мишени в зоне фокусной дорожки, которое обусловлено высокими деформациями, возникающими при эксплуатации анода на поверхности мишени и на границе мишень - подложка.

Известен анод рентгеновской трубки, изготовленный методом порошковой металлургии и содержащий подложку и двухслойную поликристаллическую мишень из вольфрамовых сплавов, в которой предел текучести верхнего слоя превышает предел текучести прилегающего слоя, за счет чего снижаются деформации верхнего слоя покрытия при эксплуатации анода (Патент США N 4331902, НКИ 313-330, опубл. 25.05.1982).

Однако на границе слоев мишени анода остаются высокие деформации, вызванные различием теплофизических, прочностных свойств материалов слоев и относительно низкой адгезией между ними. Следствием этих деформаций является нарушение контакта между слоями, что приводит к перегреву материала мишени в зоне фокусной дорожки и сокращению ресурса РТ.

Известен также анод рентгеновской трубки, изготовленный методом порошковой металлургии, содержащий подложку и мишень из вольфрам-рениевого сплава толщиной 0,05 - 1 мм. За счет легирования вольфрама рением увеличивается прочность и пластичность мишени, что приводит к увеличению ресурса анода. (Патент США N 3836807, НКИ 313-330, опубл. 17.09.1974).

Однако данной конструкции также присущи высокие деформации, реализуемые на границе мишень - подложка. Кроме того, недостатками этой конструкции являются высокая температура зоны фокусной дорожки, обусловленная низкой, по сравнению с вольфрамом, теплопроводностью вольфрам-рениевого сплава, а также высокая стоимость, связанная с необходимостью применения дорогостоящего рения.

Задачей настоящего изобретения является сохранение контакта на границе мишень - подложка в процессе эксплуатации анода при одновременном снижении содержания легирующего компонента в сплаве материала мишени и, как следствие, увеличение ресурса анода и снижение его стоимости.

Поставленная задача решается тем, что в аноде рентгеновской трубки, включающем подложку и мишень из сплава тугоплавкого металла, содержание легирующих компонентов в сплаве выбирается переменным по толщине мишени с максимальным его значением у поверхности на глубине 10 - 50 мкм. Мишень может быть размещена только в зоне фокусной дорожки, превышая ширину последней с обоих сторон не менее, чем на 50 мкм.

Выполнение мишени из сплава тугоплавких металлов, содержание легирующих добавок в которых меняется по толщине мишени, позволяет улучшить адгезию мишени, а также избежать скачкообразного изменения теплофизических и прочностных свойств в зоне фокусной дорожки. Кроме того, уменьшение жесткости материала мишени по мере удаления от поверхности фокусной дорожки за счет снижения содержания легирующих добавок позволяет уменьшить деформации поверхности мишени, и, следовательно, увеличить ресурс анода.

Расчетно-экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния анодов рентгеновских трубок в процессе их эксплуатации показали, что наибольшие деформации мишени реализуются на поверхности мишени в центральной части фокусной дорожки. Величина этих деформаций быстро снижается по глубине мишени (на глубинах ~ 10-50 мкм для анодов различных классов уровень деформаций снижается более чем на порядок). Поэтому применение высокопрочных и пластичных сплавов для увеличения ресурса, получаемых легированием с оптимальным составом, необходимо только в этом диапазоне толщин мишени.

Применение легирующих добавок на глубине менее 10 мкм приводит к появлению трещин в нелегированном материале из-за его низкой пластичности, использование максимального содержания легирующих добавок на глубине более 50 мкм приводит к удорожанию анода и усложнению процесса его изготовления.

Существенно упростить процесс изготовления анода позволяет применение метода нанесения мишени на подложку из парогазовой фазы, при котором изменение температуры подложки и концентрации наносимой газовой смеси позволяет получать оптимальное содержание легирующих добавок по толщине мишени.

Легирование металла, наряду с улучшением пластических свойств приводит к снижению теплопроводности. Например, при легировании вольфрама рением с массовым содержанием рения от 3 до 20% степень деформации поверхности мишени снижается в 2 - 5 раз, однако при толщине мишени из W-Re ~ 1 мм максимальная температура фокусного пятна анода высокомощной рентгеновской трубки превышает аналогичную температуру вольфрамовой мишени на ~100^oC. Но при толщине W-Re менее 50 мкм это различие максимальных температур существенно снижается. Аналогичные эффекты имеют место и при легировании материала мишени (вольфрама или молибдена), например, ниобием или танталом. К удешевлению анода приводит размещение мишени только в зоне его фокусной дорожки, однако, чтобы не произошло нарушения контакта мишени с подложкой, как показали расчетно-экпериментальные исследования, ширина мишени при этом должна превышать ширину фокусной дорожки с обоих сторон не менее чем на 50 мкм.

Пример конкретного выполнения
На коническую поверхность молибденовой подложки, диаметр которой составляет 100 мм, толщина центральной части - 12 мм, а угол конусности рабочей поверхности - 15^o, наносят из парогазовой фазы слой вольфрамовой мишени толщиной 0,7 мм. При нанесении мишени постепенно понижают температуру с одновременным увеличением содержания в наносимой смеси массового содержания рения. Таким образом получается мишень с плавным увеличением содержания рения от 0% вблизи подложки до 10% в приповерхностной зоне (толщиной ~ 40 мкм). Как показали расчетно-экспериментальные исследования, в процессе эксплуатации анода при мощности потока тепла 50 кВт, временем экспозиции 0,1 с с перерывом между экспозициями 20 с, температура фокусной дорожки такой конструкции более чем на 30^oC ниже температуры аналогичного анода с покрытием W-10%Re, ресурс анода с переменным по толщине мишени содержанием рения возрастает более чем на 10%, а его стоимость понижается на ~ 15%.

Изобретение относится к рентгенотехнике, а именно к анодам рентгеновских трубок, и может быть использовано в медицине для диагностики и терапии, в технических устройствах для неразрушающего контроля изделий и научных исследований. Сущностью изобретения является содержание легирующих компонентов в сплаве на границе мишень-подложка, выбрано переменным по толщине мишени с максимальным его значением у поверхности на глубине 10 - 50 мкм. Техническим результатом является сохранение контакта на границе мишень-подложка в процессе эксплуатации анода при одновременном снижении содержания легирующего компонента в сплаве материала мишени и, как следствие, увеличение ресурса анода и снижение его стоимости. 2 з.п.ф-лы.

1. Анод рентгеновской трубки, включающий подложку и мишень из сплава тугоплавкого металла, отличающийся тем, что содержание легирующих компонентов в сплаве выбрано переменным по толщине мишени с максимальным его значением у поверхности на глубине 10 - 50 мкм. 2. Анод рентгеновской трубки по п.1, отличающийся тем, что мишень выполнена из вольфрама, легированного рением. 3. Анод рентгеновской трубки по п.1, отличающийся тем, что мишень размещена только в зоне фокусной дорожки, превышая ширину последней с обеих сторон на менее чем на 50 мкм.