Вращающийся анод рентгеновской трубки и способ его изготовления Советский патент 1982 года по МПК H01J35/10 

Изобретение относится к техничес кой физике и направлено на дальнейшее совершенствование наиболее ответственного узла рентгеновских аппа ратов - рентгеновской трубки. Рентгеновское излучение широко ис пользуется в различных областях техники и в медицине. Требования современной техники вьщвигают необходимость в создании рентгеновских трубо повышенной мощности 30-150 кВт. Наиболее напряженн1лм узлом в трубке является анод, который вращается со скоростью 3000-9000 об/мин и подвергается локальной бомбардировке электронным пучком. В процессе эксплуата ции анод в течение 1-4 с разогревается до 1200-1500с. При этом температура в области торможения электронного пучка может достигать 25002800 С, в то время как на обратной поверхности анода она не превышает 1500 С. После выключения трубки анод остывает до /v в течение 3-10ми В процессе эксплуатации трубка должна выдерживать несколько десятков тысяч включений, а анод при этом пре терпевать соответствующее количество описанных термоциклов. Известен анод, состоящий из графитовой основы, на рабочей поверхности которой имеется вольфрамовое покрытие . Известен способ изготовления та- кого -анода путем наиесения на основу из графита вольфрамового покрь1тия fl. Анод описанной конструкцийне пригоден для длительной эксплуатации в трубках повьашенной мощности, так как при термоциклировании происходит отслоение вольфрамового покрытия за счет различия в коэффициентах термического расширения, которое усугубляется карбидизацией вольфрама, протекающей при и приводящей к охрупчиванию вольфрама даже при повышенных температурах (500-1500 с; . Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является вращгиощи ся анод рентгеновский трубки, , содержгцций трехслойный диск, централь ный слой которого выполнен из вольф- . рама. Основа этого анода выполнена из молиСьдена или из вольфрама о ре- . нием (10%J или сплава вольфрама с металлом платиновой группы 2. Недостатком этого анода является его высокая стоимость из-за наличия дорогостоящего рения. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ изготовления вращающегося анода путем прессования вольфрамового порошка, спекания и последующей деформации заготовки оо степенью деформации 80-85%. Анод представляет собой диск диаметром 0 55-100 мм с отверстием по оси диаметром 6-9 мм SJ. Такой анод характеризуется повышенным содержанием П13имесей, что при водит к переносу вольфрама с нагрето поверхности анода на относительно холодные стенки трубки за счет реак(Ции водяного и углеродного циклов: W+XH,0 высокая, температура , низкая температура X. i W+xCOi ° температура о.+хСО низкая температура лВ результате происходит поглощени рентгеновского излучения и снижение Эффективности работы трубки. Описанному варианту присущ еще один недоста:ток. При разрушении анода трещина, зародившаяся на рабочей поверхности анода, беспрепятственно распространяется на всю его толщину. Вращающийся с большой скоростью анод разрывается и его разлетающиеся осколки представляют опасность для пациентов и обслуживающего персонала. Цель изобретения - удешевление конструкции, повышение ресурса работы трубки. Указанная цель достигается тем, что во вращающемся аноде рентгеновской трубки, содержащем трехслойный; диск, центральный слой которого выполнен из вольфрама, наружные слои выполнены из фторидного вольфрама, деформированного со степенью 60-85%, а центральный слой - ,из порошкового вольфрама, деформированного со степенью 90-98%, причем толщина его сос тавляет 5-50% от общей толщины диска В способе изготовления вращающего ся анода путем прессования вольфрамового порошка спекания и последующей деформации заготовки сначала деформацию заготовки осуществляют со степенью 75-87%, после чего с обеих сторон на нее осаждают слои вольфрам путем восстановления его гексафторида водородом и снова подвергают деформации со степенью 60-85%. В процессе эксплуатации электронн пучок направляется на рабочую поверх ность и разогревает область, на кото рую фиксируется электронный пучок, до 2500-2800 С. Для предотвращения развития более высоких температур на поверхности анода последний враща ется на валу, пропущенном в отверсти со скоростью 3000-9000 об/мин. В этих условиях температура на вогнуто (тыльнойV стороне анода не превышает 1500°С. Продолжительность работы в описанном режиме составляет 0,1-10 с после чего бомбардировка электронами рабочей поверхности анода прекращается и анод охлаждается при вращении до А500С в течение 5-10 мин. Затем цикл повторяется и т.д. Фторидный вольфрам, получаемый в результате газофазного осаждения воль фрама из смеси его гексафторида с водородом по реакции .бгаъ в+ гаъ является наиболее чистой разновидностью вольфрама, поэтому его использование для изготовления перифери шых слоев анода резко снижает газовьщеление и перенос вольфрама на стенку трубки. Благодаря своей чистоте он является и наиболее пластичным, т.е. в меньшей степени по сравнению с другими сортами вольфрама подвержен хрупкому разрушению, сопровождающемуся трещинообразованием. Кроме того, фторидный вольфрам обладает более высокой температурой рекристаллизации, лсоторая для недеформированного мате риала лежит выше . Однако в исходном состоянии он имеет низкие прочностные характеристики. В процессе деформ ции прочностные характеристики фторидного вольфрама повышаются и тем больше, чем выше степень деформации. Температура рекристаллизации фторидного .вольфрама, наоборот, снижается при увеличении степени его . деформации. Поэтому рекомендуется относительно невысокая степень деформации 60-85%, для которой температура рекристаллизации фторидного вольфрама остается выше . Учитывая, что на тыльной стороне анода в рабочих условиях температура не превышает , периферийный слой из фторидного вольфрама, расположенный на вогнутой поверхности анода и не подвергающийся бомбардировке электронами, будет сохранять свои прочностные характеристики в течение всего ресурса работы. Наконец, относительно невысокая степень деформации периферийных слоев не приводит к возникновению заметной анизотропии свойств фторидного вольфрама, характерной для более высоких степеней деформации (более 85%). Таким образом, верхний предел степени деформации для фторидного вольфрама ограничивается 85%, так как при более высоких степенях деформации развивается аниэотропия свойств и температура рекристаллизации снижается ниже . Это недопустимо, так как при рабочих температурах тыльной стороны анода будет происходить снижение прочностных характеристик анода за счет рекристаллизации. Нижний предел степени деформации для фторидного вольфрама продиктован необходимостью хара терную для фторидного вольфрама сто чатую структуру и повысить тем самым прочностные характеристики материал что происходит при степени деформации материала более 60%, Центральный слой из порошкового вольфрама, подвергнутого деформации с степенью 90-98%, является наиболее прочным в данной конструкции так как прочностные характеристики вольфрама возрастают с увеличением ст пени деформации. -Он выполняет роль мирующего элемента и повышает прочность конструкции в целом. Если сте пень деформации периферийных слоев составляет 60% (прочность их относи тельно невысока), то толщина армирующего слоя должна быть максимальной 40-50% от общей толщины. С увеличением степени деформации периферийных слоев до 85% их прочность возрастает и толщина армирующего сл может быть уменьшена до 5-10% от об щей толщины. Нижний предел степени деформации для порошкообразного вольфрама выбран 90%, так как до этого значения наблюдается-существенный рост прочности вольфрама при увеличении степе ни дефор1 ации. При степенях деформа ции более 90% прочностные характерис тики возрастают менее интенсивно, а при степенях деформации более 98% проявляется расслой материала, что снижает теплопроводность анода, приводит к перегреву его рабочей поверхности и преждевременному выходу его из строя. Учитывая выше изложенное, рекомендуемая степень деформаци центрального слоя из порюшкового вольфрама составляет 90-98%. Соединение описанных слоев осуществляется осаждением фторидного вольфрама с обеихсторон на деформированную пластину из порошкового вольф рама в условиях, обеспечивающих сцепление слоев. Полученную трехслойную заготовку затем прокатывают до степени деформации 60-85%. В результате достигается надежное соединение слоев (прочность сцепления пре вышает 15кг/мм). Покрытие порошкового вольфрама плотным слоем фторидного вольфрама препятствует выходу летучих примесей из него при нагревании, что приводит к повышению температуры рекристаллизации порошкового вольфрама до 1500-160О С и способствует сохранению высоких прочностных свойств в течение всего ресурса работы. Зарождение трещины обычно происходит на рабочей поверхности анода. Но в предлагаемой конструкции она развивается.; лишь до слоя порошкового вольфрама. Изменение структуры материала дрепятствует дальнейшему раз витию трещины. Анод сохраняет свою форму.и работоспособность, так как два неповрежденных слоя препятствуют его разрыву. Таким образом увеличивается срок службы и ликвидируется опасность получения травм обслуживающим персоналом, т.е. улучшаются условия труда. Пример 1. Вольфра ювую ленту толщиной 1,5 мм, шириной 30 мм и длиной 500 мм, полученную деформацией порошкового вольфрама со степенью деформации 87%, подвергают травлению в расплаве 95% NaOH.+5%NaNO, при 450-600с. После чего нагревают в токе водорода до 750-800°С. При этой температуре начинают осаждение вольфрама из газообразной смеси его гексафторида с водородом по реакции Рбгаг+ЗН,,гаг гв+ (гаъ- содержа- , ние гексафторида вольфрама в газовой смеси составляет мольн.%. Указанная температура необходима для восстановления окислов вольфрама на ленте и получения прочного сцепления покрытия с основой. Спустя 3 мин, температуру снижают до 530+30с, а содержание гексафторида вольфрама в газовой смеси уменьшают до 22+2 мольн.%. После осаждения фторидного вольфрама в течение 28 ч получают пластину толщиной 22 мм. Ее разрезают на отрезки длиной 120 мм и прокатывают до толщины 4,5 мм с нагревом до 1450±50 с. Степень деформации слоев фторидного вольфрама составляет 85%. Суммарная степень деформации центрального слоя из порошкового вoльфpc ма составляет 98%, а его толщина 0,225. мм, что составляет 5% от общего сечения. Из почученных листов вырезают диски 0 100 мм и прошивают по оси-отверстие 8,5 мм. Затем подвергают формованию. Испытания проводят в рентгеновской трубке с вращающимся анодом мощ- . ностью 30 кВт. Продолжительность экспозиции составляет 1 с при скорости вращения анода 3000 об/ми. Длительность перерыва между включениями 4 мин. Анод в составе трубки, проработавшей в приведенном режиме 20000 включений, остается работоспо-. собным. Аноды таких же размеров из порошкового вольфрама в аналогичных трубках .вьщерживают не более 10000 включений.. П р и м е р 2. Вольфрамовую полосу толщиной 7,5 мм, полученную деформацией порошкового вольфрама со степенью деформации 75%, обрабатывают как описано в примере 1 и аналогичным образом осаждают фторидный вольфрам до получения пластины тол- . щиной 15 мм, которую затем прокатывают до толщины б мм. Степень дефор-.

мации слоев фторидного вольфрама составляет 60%, а центрального слоя 90%. Конечная толщина центрального слоя равна 3 мм, что составляет 50% от общего сечения. Толщина слоев f)TopHJaiHoro больфрама составляет 1, 5мм

Испытания отформованного анода ф 100 мм проводят в рентгеновской трубке мощностью -60 кВт. Продолжительность экспозиции-составляет 1 c при скорости вращения анода 9000об/м Длительность перерыва между включениями 4 мин. Анод в составе трубки, работавшей в описанном режиме, выдерживает 15000- включений.

Для оценки разрушаемости анодов предлагаемой конструкции проводят следующие испытания . Анод толщиной 4,5 мм и диаметром 100 мм нагревают до , после чего резко охлаждают сначала на воздухе, а затем холодной водой. После такой обработки на выпуклой поверхности анода образуются две трещины, которые заканчиваются на ближайшей границе между фторндным и порошковым вольфрамом. Такой анод ставят на стенд в вращают со скоростью 3000 об/ми. .Дополнительного развития трещин при этом не npo исходит.

Проводимые испытания показывают, что слоистая конструкция анода препятствует развитию в нем сквозных трещин и предотвращает разрушение анода при вращении, ликвидируя опасность при обслуживании.

Формула изобретения

1. Вращающийся анод рентгеновской трубки, содержащий трехслойный диск, центральный слой которого выполнен из вольфрама, о т л и ч а ,ю щ и и с я тем, что с целью удешевления конструкции ц повышения ресурса работы трубки, наружные слои выполнены из фторидного вольфрама, деформированного со степенью , а центральный - из порошкового вольфрама, деформированного со степенью 90-98%, причем толщина его составляет 5-50% от общей т.олщины диска.

2-. Способ изготовления вращающего ся анода путем прессования вольфрамового порошка,спекания и последующей деформации заготовки, о т л и - чающийся тем, что сначала деформацию заготовки осуществляют со степенью 75-87%, после чего с обе их сторон на нее осаждают слои вольфрама путем восстановления его гексафторида водородом и снова подвёргают деформации со степенью 60-85%.

Источники информации, принятые В9 внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании 1436157 , кл. В 3 А, опублик. 1976.

. 2. Патент США № 4004174, кл. 313-330, опублик. 1976 (прототип

3. Мишени вольфрамовые для рентгеновских трубок, -анодов рентгеновских кенотронов и заготовки вольфрамовых мишеней для рентгеновских трубок с вращающимся анодом. ТУ 48-19-119-74 (прототип}..