Анод рентгенівської трубки, що обертається.
Винахід відноситься до рентгенотехніки, а більш конкретно до анодів, що обертаються, рентгенівських трубок великої потужності, що застосовуються в медичній діагностиці. Для збільшення терміну служби і підвищення надійності анода, що обертається, високопотужної рентгенівської трубки за рахунок забезпечення рівномірності нагріву підкладки і зниження рівня напруг у підкладці і мішені підкладка виконується змінною за геометричними розмірами та/або матеріальним складом і властивостями матеріалів. Товщина шару підкладки H в зоні фокусної доріжки виконується не меншою 0,1(E1H 2 1/E2) 0,5 і не більшою 10(E1H 2 1/E2) 0,5 де H1 - товщина мішені, E1 і E2 - модулі пружності мішені та шару підкладки відповідно, а ширина цієї зони становить не менше величини фокусної доріжки. 6 з.п. ф-ли, 1 іл.
Винахід відноситься до рентгенотехніки, а більш конкретно до анодів, що обертаються, рентгенівських трубок, що застосовуються в медичній діагностиці.
Відомий обертовий анод рентгенівської трубки, що містить графітову підкладку і мішень з тугоплавкого матеріалу або сплаву, при цьому в графітовій підкладці для зниження термічних напруг, обумовлених істотною відмінністю коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів підкладки та мішені, виконані поглиблення у вигляді розподілених по її поверхні заповнених матеріалом мішені [1].
Однак дана конструкція анода досить складна у виготовленні, збільшується витрата дорогого вольфраму, крім того, у мішені виникають високі термічні напруги, що зростають із зменшенням товщини мішені. Зрештою це негативно позначається терміні служби анода та її надійності.
Найбільш близьким технічним рішенням до винаходу з технічної сутності - прототипом, є анод, що обертаєтьсярентгенівської трубки, в якому для запобігання розтріскування мішені на поверхні мішені утворюють велику кількість щілин, розташованих симетрично щодо осі симетрії анода [2].
Однак відома конструкція все ж не дозволяє достатньо позбутися від напруг, що виникають в мішені. Крім того, при такій конструкції відбувається втрата потужності рентгенівської трубки пропорційно площі щілин у мішені, а також дана конструкція складна у технологічному виконанні.
Завданням цього винаходу є збільшення терміну служби і підвищення надійності анода, що обертається, а також зменшення його вартості.
Поставлене завдання вирішується тим, що в аноді рентгенівської трубки, виконаному з підкладки і розміщеної на її поверхні мішені, підкладка виконана змінною за геометричними розмірами і/або матеріальним складом і властивостями матеріалів, причому товщина шару підкладки H в зоні фокусної доріжки виконується не меншою 0 ,1(E1H 2 1/E2) 0,5 і не більшою 10(E1H 2 1/E2) 0,5 , де H1 - товщина мішені, E1 і E2 - модулі пружності мішені та шару підкладки відповідно, а ширина цієї зони становить не менше величини фокусної доріжки.
Підкладка в зоні фокусної доріжки може бути виконана з порожниною, що заповнюється матеріалом, температура кипіння якого нижче температури плавлення матеріалу підкладки, наприклад, Na, Li, при цьому відстань між мішенню і порожниною вибрано рівним H.
Крім того, мета може бути розміщена тільки в зоні фокусної доріжки, перевищуючи ширину останньої з обох сторін не менше, ніж на товщину мішені.
Мета може бути виконана з монокристалу, крім того щільність матеріалу підкладки в зоні фокусної доріжки може бути вищою за середню щільність матеріалу підкладки.
Підкладкатакож може бути виконана з матеріалу, що має більшу пластичність, ніж матеріал мішені.
Крім того, підкладка може бути виконана з матеріалу з коефіцієнтом термічного розширення, що зменшується по радіусу.
Як вже згадувалося, через різницю коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів підкладки і мішені виникають термічні напруги, що негативно впливають на термін служби анода та його надійність. Ця напруга залежить від співвідношення товщин мішені і підкладки. При збільшенні відношення товщини підкладки до товщини мішені напруги в мішені зростають, а в підкладці падають і навпаки. Як правило, в анодах рентгенівських трубок, що обертаються, товщина мішені істотно менше товщини підкладки, тому напруги в мішені при великих температурах досить високі, що може призвести до розтріскування мішені. Потовщення підкладки застосовується для кращого відведення тепла з області фокусної плями анода. Однак при короткочасних експозиціях підкладка не встигає розігріватися, а в проміжках між експозиціями охолодження за рахунок випромінювання призводить до суттєвого перерозподілу поля температур в аноді, що дозволяє вибирати режими експлуатації, що не призводять до перегріву підкладки без збільшення її товщини. Виконання підкладки змінної за геометричними розмірами або матеріальним складом і властивостями матеріалів дозволяє знижувати температурні перепади анода, що істотно нерівномірно прогрівається і відповідно термонапруги, що виникають в аноді при експлуатації.
Вибираючи оптимальне співвідношення товщин мішені і покриття, можна при заданих режимах експлуатації рентгенівської трубки підібрати товщину мінімальної мішені, що призводить до спрощення виготовлення анода і зменшення його вартості через меншу витрату мішені.
Розрахунково-експериментальні дослідження показують, що рівень напруги, що виникають при експлуатації анода істотно залежить від товщин мішені та підкладки в зоні фокусної доріжки, а також від модулів пружності мішені E1 та підкладки E2. При фокусованій товщині мішені H1 і товщині підкладки менше 0,1(E1H 2 1/E2) 0,5 рівень термонапруг в підкладці істотно перевищить відповідний рівень напруги в мішені, що не бажано, так як матеріал мішені зазвичай вибирається з матеріалу, що володіє великою межею міцності ніж матеріал підкладки. Крім того, потонання підкладки в області фокусної доріжки може призводити до перегріву анода при великих потужностях і тривалих експозиціях. При товщині підкладки більше 10(E1H 2 1/E2) 0,5 високий рівень напруги в мішені призводить до її руйнування при термоциклювання в процесі експлуатації. При ширині зони підкладки, в якій товщина підкладки виконується за вказаними співвідношеннями, менший за величину фокусної доріжки вплив обраної в цій зоні товщини підкладки на рівень напруги мішені незначно.
Виконання в підкладці порожнини, що заповнюється матеріалом, температура кипіння якого менше температури плавлення матеріалу підкладки, дозволяє знизити робочу температуру фокусної доріжки, так як при температурі зони фокусної доріжки, близької до температури кипіння матеріалу, що заповнює порожнину, при обертанні анода порожнина працює як теплова труба ( при обертанні анода рідина притискається до зовнішньої стінки порожнини, а продукти випаровування надходять на внутрішню стінку), що дозволяє, охолоджуючи фокусну доріжку, отримувати близьке до рівномірного розподілення температури за обсягом анода. Як показали розрахунково-експериментальні дослідження, при виконанні в підкладці анода порожнини, напруги, що виникають в мішені,залежать в основному не від загальної товщини підкладки, а від відстані між мішенню та порожниною.
Нанесення шару мішені тільки в області фокусної доріжки призводить до зменшення витрати матеріалу мішені, крім того, це дозволяє краще відводити тепло з області фокусної плями, використовуючи більш теплопровідний матеріал для підкладки, ніж матеріал мішені. Ця також зменшує термічні напруги в мішені та підкладці анода, які збільшуються зі зростанням радіусу контакту мішені з підкладкою. Перевищення ширини мішені фокусної плями з кожного боку менш ніж на товщину мішені може призводити до перегріву підкладки.
Виконання мішені з монокристалу дозволяє підвищити ресурс анода, оскільки монокристалічний матеріал має більшу пластичність і міцність, ніж полікристалічний. Крім того, за рахунок ефекту каналування монокристалічна мета дозволяє отримувати рентгенівське випромінювання більшої інтенсивності.
Розрахунково-експериментальні дослідження показують, що великі перепади температур і, відповідно, високий рівень напруг реалізуються тільки в зоні фокусної доріжки, тоді як в іншому обсязі підкладки анода термічні напруги суттєво нижчі. Тому для полегшення анода та здешевлення його виготовлення середня щільність матеріалу підкладки може бути нижчою за щільність матеріалу в зоні фокусної доріжки (наприклад, підкладка може бути виконана пористою у всьому обсязі, крім зони фокусної доріжки).
При зменшенні товщини мішені, як показують дослідження, пластичні характеристики мішені наближаються до відповідних характеристик підкладки, тому якщо підкладка виконана з матеріалу, що має більшу пластичність, ніж матеріал мішені, то фокусна доріжка анода витримує більше термоциклів до руйнування, ніж анод,виконаний повністю з матеріалу мішені.
В результаті імпульсного нагрівання анода при його експлуатації поверхня основи в зоні фокусної доріжки суттєво перегрівається щодо його центральної частини. Так, наприклад, при діаметрі анода 100 мм, підкладка якого виконана з молібденового сплаву МН6 при товщині 5 мм і при потужності теплового потоку 13,5 кВт радіальний перепад температур перевищує 500 К. Тому в центральній частині анода виникають напруги, що розтягують.
При виконанні центральної частини підкладки зі сплаву, КТР якого на 5% вище КТР сплаву МН6, рівень напруг, що розтягують, в аноді зменшується більш, ніж на 15%, що забезпечує підвищення стійкості анода до теплових навантажень.
На кресленні показані пропоновані обертові аноди рентгенівської трубки. Вони містять підкладку 1, де розміщена мета 2 з фокусною доріжкою 3. На кресленні (вигляд а) показана також порожнину 4, заповнювана матеріалом з низькою температурою кипіння.
Приклад конкретного виконання У молібденовій підкладці, діаметр якої становить 120 мм, товщина центральної частини 29 мм, а кут конусної робочої поверхні 12, механічним чином виконують тороїдальну порожнину шириною 20 мм і висотою 15 мм, товщина перемички між порожниною та робочою поверхнею становить 3,5 мм. Половина об'єму порожнини заповнювалася натрієм. При цьому діаметр центрального отвору для валу ротора становить 10 мм, після чого на робочу поверхню анода наносять (наприклад, парогазової фази) шар вольфрамової мішені товщиною 1,5 мм. Як показали розрахунково-експериментальні дослідження, в процесі експлуатації анода при безперервному режимі з інтенсивністю потоку тепла 9 кВт, часом експозиції 12 з перервою між експозиціями 20 с, час перерви між серіями 12 с,температура фокусної доріжки такої конструкції більш ніж на 50 К нижче температури аналогічного анода без порожнини, при цьому рівень напруги в мішені на 20% нижче рівня напруги в аноді без порожнини, що призводить до збільшення ресурсу анода майже в два рази.
Конструкція, що заявляється, забезпечує в порівнянні з прототипом підвищену експлуатаційну надійність і працездатність. Зниження робочих напруг, що досягається при цьому, дозволяє використовувати анод в томографах підвищеної потужності.
1. Обертальний анод рентгенівської трубки, виконаний з підкладки і розміщеної на її поверхні мішені, відрізняється тим, що підкладка виконана змінною за геометричними розмірами та/або матеріальним складом і властивостями матеріалів, причому товщина шару підкладки H в зоні фокусної доріжки виконується не меншою 0, 1 (E1H1 2 /E2) 0,5 і не більшою 10 (E1H1 2 /E2) 0,5 де H1 - товщина мішені; E1 та E2 - модулі пружності мішені та шару підкладки відповідно, а ширина цієї зони становить не менше величини фокусної доріжки.
2. Анод по п.1, який відрізняється тим, що підкладка в зоні фокусної доріжки виконана з порожниною, що заповнюється матеріалом, температура кипіння якого нижче температури плавлення матеріалу підкладки, наприклад, Na, Li, при цьому відстань між мішенню і порожниною обрано рівним H.
3. Анод по п.1, який відрізняється тим, що мета розміщена тільки в зоні фокусної доріжки, перевищуючи ширину останньої з обох сторін не менше, ніж на товщину мішені.
4. Анод по п.1, який відрізняється тим, що мішень та/або підкладка виконана з монокристалу.
5. Анод по п.1, який відрізняється тим, що щільність матеріалу підкладки в зоні фокусної доріжки вище за середню щільність матеріалу підкладки.
6. Анод по п.1, який відрізняється тим, що підкладка виконана з матеріалу,що володіє більшою пластичністю, ніж матеріал мішені.
7. Анод по п.1, який відрізняється тим, що підкладка виконана з матеріалу з коефіцієнтом термічного розширення, що зменшується по радіусу.