АНОД РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ Российский патент 2002 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.

Основной проблемой при эксплуатации анодов рентгеновских трубок является образование трещин на фокусной дорожке из-за существенной неравномерности ее нагрева, а также за счет разницы коэффициентов термического расширения (КТР) материалов основы анода и его мишени. Это приводит к уменьшению мощности рентгеновского излучения и, как следствие, к уменьшению ресурса анода.

Известен вращающийся анод рентгеновской трубки, в котором для предотвращения растрескивания мишени на ее поверхности образуют большое число щелей, расположенных симметрично относительно оси симметрии анода (Заявка ЕПВ N 0323365, з. 30.12.88, oп. 05.07.89, МКИ H 01 J 35/10).

Однако известная конструкция все же не позволяет в достаточной мере избавиться от напряжений, возникающих в мишени. Кроме того, при такой конструкции происходит потеря мощности рентгеновской трубки пропорционально площади щелей в мишени, а также данная конструкция сложна в технологическом исполнении.

Известен стационарный анод рентгеновской трубки, в котором анодная основа имеет периферийную стенку с расположенными напротив друг друга торцевыми поверхностями, где для улучшения контакта мишени и основы в одной торцевой поверхности сделана выточка с направленной вверх и отклоняющейся стенкой (Патент ЕПВ N 0709873, з. 27.10.95 г. , опубл. 01.05.96 г., МКИ H 01 J 35/08).

Недостатком такой конструкции является разрушение металлических материалов мишени и основы в зоне воздействия электронного пучка при больших мощностях эксплуатации, происходящее из-за рассогласованности КТР материалов мишени и основы, а также за счет существенной неравномерности разогрева анода.

Задачей авторов является увеличение срока службы, повышение нагрузочной способности анода.

Для решения поставленной задачи авторы предлагают в аноде рентгеновской трубки, состоящем из основы и мишени, границу раздела мишени и основы в зоне воздействия электронного пучка в сечении плоскостью, проходящей через ось электронного пучка, выполнять в виде эллипса, при этом полуоси эллипса выбирать так, чтобы граница раздела мишени и основы представляла собой изотерму со значением температуры, не превышающей допустимую температуру основы для максимальной мощности рентгеновской трубки. Анод рентгеновской трубки может быть выполнен стационарным, а граница раздела мишени и основы выполнена в виде эллипсоида. Анод может быть выполнен вращающимся, причем плоскость сечения, проходящая через ось электронного пучка, проходит через ось вращения анода. Мишень и/или основа могут быть выполнены монокристаллическими. Мишень может быть выполнена двухслойной, причем материал слоя подверженного воздействию электронного пучка имеет больший предел текучести, чем материал слоя, прилегающего к основе.

Выполнение границы раздела мишени и основы в виде эллипса в сечении плоскостью, проходящей через ось электронного пучка, позволяет снизить напряжения в мишени, вызванные различием КТР материалов основы и мишени. Это происходит потому, что при такой форме границы влияния различных компонент тензора напряжений на напряженное состояние мишени компенсируют друг друга. Например, при превышении КТР материала основы над материалом мишени радиальные напряжения в мишени растягивающие, а осевые - сжимающие. Уменьшение напряжений в мишени позволяет повышать нагрузочную способность анода по сравнению с прототипом.

Когда граница раздела представляет собой изотерму, равномерное распределение температуры позволяет также снизить напряжения в зоне этой границы, что обеспечивает сохранение лучшего контакта мишень-основа, чем у прототипа, за счет чего повышается ресурс анода.

Расчетно-экспериментальные данные, полученные авторами, показали, что форма изотермической границы раздела мишени и основы в сечении плоскостью, проходящей через ось электронного пучка, близка к эллипсу. Выполнение границы в виде изотермы со значением температуры, не превышающей допустимую температуру основы для максимальной мощности рентгеновской трубки, позволяет эксплуатировать анод во всех паспортных режимах рентгеновской трубки и, кроме того, экономить дорогостоящий материал мишени (в приведенных аналоге и прототипе радиус мишени относительно центра электронного пучка существенно превышает аналогичный радиус в предлагаемом аноде).

Для конкретного анода рентгеновской трубки полуоси эллипса определяют с помощью расчета, например, методом конечных элементов, температурного поля анода в режиме с максимальной мощностью с учетом геометрических размеров анода, свойств материалов, зависящих от температуры, мощности рентгеновской трубки и размеров фокусного пятна.

Данные, полученные авторами, показывают, что в случае стационарного анода выполнение границы раздела мишени и основы в виде эллипсоида позволяет получить уменьшение максимальной температуры (в случае превышения коэффициента теплопроводности основы над соответствующим коэффициентом мишени) и существенное снижение уровня напряжений в зоне воздействия электронного пучка и на границе раздела мишени и основы. В случае вращающегося анода получить аналогичный эффект позволяет выполнение границы раздела мишени и основы в виде эллипса в сечении плоскостью, проходящей как через ось электронного пучка, так и через ось вращения анода.

Выполнение мишени и/или основы монокристаллическими, как показали расчетно-экспериментальные исследования, позволяет увеличить допустимую температуру эксплуатации анода за счет повышения температуры рекристаллизации слоев основы и мишени, а также существенного снижения взаимодиффузии материалов подложки и мишени. Монокристаллический тугоплавкий металл обладает большей пластичностью и прочностью, чем поликристаллический, что позволяет повысить ресурс анодов. Кроме того, монокристаллический материал обладает большей теплопроводностью, чем поликристаллический, а увеличение теплопроводности материала мишени и/или прилегающего к нему слоя обеспечивает лучшее охлаждение фокусной дорожки анода.

Выполнение слоя мишени, прилегающего к основе, из материала, предел текучести которого меньше предела текучести материала слоя мишени, подверженного воздействию электронного пучка, позволяет уменьшить пластические деформации мишени, возникающие при неравномерном нагреве в процессе эксплуатации анода. Уменьшение пластических деформаций мишени на поверхности, облучаемой электронами, происходит за счет пластической деформации прилегающего к основе слоя мишени.

Выбирая оптимальные величины полуосей эллипса в сечении на границе раздела мишени и основы, как показали расчетно-экспериментальные исследования, можно, при заданных режимах эксплуатации рентгеновской трубки, избежать перегрева зоны фокусной дорожки и зоны соединения слоев подложки, кроме того, подобрать толщину мишени минимальной, что приводит к упрощению изготовления анода и уменьшению его стоимости из-за меньшего расхода материала мишени.

На фиг.1 показан стационарный анод, на фиг.2 - вращающийся анод, где: 1 - основа, 2 - мишень, 3 - электронный пучок, 4 - ось вращающегося анода; а - полуось эллипса по глубине, b - радиальная полуось.

Примеры конкретного выполнения.

1. Основу для стационарного анода выполняют из меди диаметром 14 мм, высотой в центральной части 5 мм, с углом наклона рабочей поверхности 20^o. В центральной части рабочей поверхности выполняют углубление в виде эллипсоида с полуосью по глубине 0,4 мм, по радиусу - 0,643 мм, затем из парогазовой фазы наносят в это углубление вольфрамовую мишень. Диаметр фокусного пятна составляет 0,579 мм, максимальная мощность эксплуатации рентгеновской трубки - 420 Вт (непрерывный режим), торец анода, противоположный рабочей поверхности, охлаждают водой. Допустимая температура медной основы - 700^oС.

Как показал анализ расчетов, проведенных методом конечных элементов, при эксплуатации такого анода максимальная температура ниже максимальной температуры прототипа аналогичных габаритных размеров с мишенью толщиной 0,4 мм, радиусом 2 мм на 150^oС, интенсивность напряжений в центре фокусного пятна меньше аналогичной интенсивности напряжений прототипа в 3 раза, интенсивность напряжений на границе раздела мишени и основы на 40% ниже, чем в прототипе.

2. Основу для вращающегося анода рентгеновской трубки выполняют из молибдена, его диаметр составляет 90 мм, толщина центральной части - 5,5 мм, а угол конусности рабочей поверхности - 16^o. На фокусной дорожке, соответствующей размеру эффективного фокуса 1•1 мм, выполняют тороидальную проточку, имеющую в радиальном сечении форму эллипса с полуосями по глубине 2,116 мм, по радиусу - 1,2 мм. Затем из парогазовой фазы наносят в полученное углубление вольфрамовую мишень. Максимальная мощность эксплуатации анода составляет 40 кВт (при экспозиции 0,1 с), допустимая температура подложки принималась равной 1500^oС.

Интенсивность напряжений на поверхности фокусной дорожки такого анода ~ на 26% ниже соответствующей интенсивности напряжений аналогичного по габаритным размерам анода с толщиной вольфрамового покрытия 1,2 мм, нанесенного на всей конической поверхности; интенсивность напряжений на границе мишень-основа в зоне фокусной дорожки в заявляемом аноде ~ на 20% меньше соответствующей интенсивности анода с мишенью, нанесенной на всей конической поверхности.

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 и терапии, в технических устройствах для неразрушающего контроля изделий и научных исследований для проведения рентгеноструктурного анализа материалов. Техническим результатом является увеличение срока службы и нагрузочной способности анода рентгеновской трубки. Анод состоит из мишени и основы. Предлагается граница раздела мишени и основы в зоне воздействия электронного пучка в сечении плоскостью, проходящей через ось электронного пучка, выполнять в виде эллипса, при этом полуоси эллипса выбрать так, чтобы граница раздела мишени и основы представляла собой изотерму со значением температуры, не превышающей допустимую температуру основы для максимальной мощности рентгеновской трубки. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Анод рентгеновской трубки, состоящий из основы и мишени, отличающийся тем, что граница раздела мишени и основы в зоне воздействия электронного пучка в сечении плоскостью, проходящей через ось электронного пучка, выполнена в виде эллипса, при этом полуоси эллипса выбраны так, что граница раздела мишени и основы представляет собой изотерму со значением температуры, не превышающей допустимую температуру основы для максимальной мощности рентгеновской трубки. 2. Анод рентгеновской трубки по п. 1, отличающийся тем, что анод выполнен стационарным, а граница раздела выполнена в виде эллипсоида. 3. Анод рентгеновской трубки по п. 1, отличающийся тем, что анод выполнен вращающимся, причем плоскость сечения, проходящая через ось электронного пучка, проходит через ось вращения анода. 4. Анод рентгеновской трубки по п. 1, отличающийся тем, что мишень и/или основа выполнены монокристаллическими. 5. Анод рентгеновской трубки по п. 1, отличающийся тем, что мишень выполнена двухслойной, причем материал слоя, подверженного воздействию электронного пучка, имеет больший предел текучести, чем материал слоя, прилегающего к основе.