вращающийся анод рентгеновской трубки

Формула изобретения

1. Вращающий анод рентгеновской трубки, выполненный из подложки и размещенной на ее поверхности мишени, отличающийся тем, что подложка выполнена переменной по геометрическим размерам и/или материальному составу и свойствам материалов, причем толщина слоя подложки H в зоне фокусной дорожки выполняется не меньшей

0,1 (E₁H₁²/E₂)^0,5

и не большей

10 (E₁H₁²/E₂)^0,5

где H₁ - толщина мишени;

E₁ и E₂ - модули упругости мишени и слоя подложки соответственно,

а ширина этой зоны составляет не менее величины фокусной дорожки.

2. Анод по п.1, отличающийся тем, что подложка в зоне фокусной дорожки выполнена с полостью, заполняемой материалом, температура кипения которого ниже температуры плавления материала подложки, например Na, Li, при этом расстояние между мишенью и полостью выбрано равным H.

3. Анод по п.1, отличающийся тем, что мишень размещена только в зоне фокусной дорожки, превышая ширину последней с обеих сторон не менее, чем на толщину мишени.

4. Анод по п.1, отличающийся тем, что мишень и/или подложка выполнена из монокристалла.

5. Анод по п.1, отличающийся тем, что плотность материала подложки в зоне фокусной дорожки выше средней плотности материала подложки.

6. Анод по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из материала, обладающего большей пластичностью, чем материал мишени.

7. Анод по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из материала с уменьшающимся по радиусу коэффициентом термического расширения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно к вращающимся анодам рентгеновских трубок, применяемых в медицинской диагностике.

Известен вращающийся анод рентгеновской трубки, содержащий графитовую подложку и мишень из тугоплавкого материала или сплава, при этом в графитовой подложке для снижения термических напряжений, обусловленных существенным различием коэффициентов линейного расширения материалов подложки и мишени, выполнены углубления в виде распределенной по ее поверхности системы глухих отверстий, заполненных материалом мишени [1].

Однако данная конструкция анода достаточно сложна в изготовлении, увеличивается расход дорогостоящего вольфрама, кроме того, в мишени возникают высокие термические напряжения, возрастающие с уменьшением толщины мишени. В конечном итоге это отрицательно сказывается на сроке службы анода и его надежности.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по технической сущности - прототипом, является вращающийся анод рентгеновской трубки, в котором для предотвращения растрескивания мишени на поверхности мишени образуют большое число щелей, расположенных симметрично относительно оси симметрии анода [2].

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.

Задачей настоящего изобретения является увеличение срока службы и повышение надежности вращающегося анода, а также уменьшение его стоимости.

Поставленная задача решается тем, что во вращающемся аноде рентгеновской трубки, выполненном из подложки и размещенной на ее поверхности мишени, подложка выполнена переменной по геометрическим размерам и/или материальному составу и свойствам материалов, причем толщина слоя подложки H в зоне фокусной дорожки выполняется не меньшей 0,1(E₁H²₁/E₂)^0,5 и не большей 10(E₁H²₁/E₂)^0,5 , где H₁ - толщина мишени, E₁ и E₂ - модули упругости мишени и слоя подложки соответственно, а ширина этой зоны составляет не менее величины фокусной дорожки.

Подложка в зоне фокусной дорожки может быть выполнена с полостью, заполняемой материалом, температура кипения которого ниже температуры плавления материала подложки, например Na, Li, при этом расстояние между мишенью и полостью выбрано равным H.

Кроме того, мишень может быть размещена только в зоне фокусной дорожки, превышая ширину последней с обеих сторон не менее, чем на толщину мишени.

Мишень может быть выполнена из монокристалла, кроме того плотность материала подложки в зоне фокусной дорожки может быть выше средней плотности материала подложки.

Подложка также может быть выполнена из материала, обладающего большей пластичностью, чем материал мишени.

Кроме того, подложка может быть выполнена из материала с уменьшающимся по радиусу коэффициентом термического расширения.

Как уже упоминалось, из-за разности коэффициентов линейного расширения материалов подложки и мишени возникают термические напряжения, отрицательно влияющие на срок службы анода и его надежность. Эти напряжения зависят от соотношения толщин мишени и подложки. При увеличении отношения толщины подложки к толщине мишени напряжения в мишени растут, а в подложке падают и наоборот. Как правило, во вращающихся анодах рентгеновских трубок толщина мишени существенно меньше толщины подложки, поэтому напряжения в мишени при больших температурах достаточно высоки, что может привести к растрескиванию мишени. Утолщение подложки применяется для лучшего отвода тепла из области фокусного пятна анода. Однако при кратковременных экспозициях подложка не успевает разогреваться, а в промежутках между экспозициями охлаждение за счет излучения приводит к существенному перераспределению поля температур в аноде, что позволяет выбирать режимы эксплуатации, не приводящие к перегреву подложки без увеличения ее толщины. Выполнение подложки переменной по геометрическим размерам или материальному составу и свойствам материалов позволяет снижать температурные перепады существенно неравномерно прогреваемого анода и соответственно термонапряжения, возникающие в аноде при эксплуатации.

Выбирая оптимальное соотношение толщин мишени и покрытия, можно при заданных режимах эксплуатации рентгеновской трубки подобрать толщину мишени минимальной, что приводит к упрощению изготовления анода и уменьшению его стоимости из-за меньшего расхода мишени.

Расчетно-экспериментальные исследования показывают, что уровень напряжений, возникающих при эксплуатации анода существенно зависит от толщин мишени и подложки в зоне фокусной дорожки, а также от модулей упругости мишени E₁ и подложки E₂. При фокусированной толщине мишени H₁ и толщине подложки меньше 0,1(E₁H²₁/E₂)^0,5 уровень термонапряжений в подложке существенно превысит соответствующий уровень напряжений в мишени, что не желательно, так как материал мишени обычно выбирается из материала, обладающего большим пределом прочности, чем материал подложки. Кроме того, утонение подложки в области фокусной дорожки может приводить к перегреву анода при достаточно больших мощностях и длительных экспозициях. При толщине подложки больше 10(E₁H²₁/E₂)^0,5 высокий уровень напряжений в мишени приводит к ее разрушению при термоциклировании в процессе эксплуатации. При ширине зоны подложки, в которой толщина подложки выполняется по указанным соотношениям, менее величины фокусной дорожки влияние выбранной в этой зоне толщины подложки на уровень напряжений мишени незначительно.

Выполнение в подложке полости, заполняемой материалом, температура кипения которого меньше температуры плавления материала подложки, позволяет снизить рабочую температуру фокусной дорожки, так как при температуре зоны фокусной дорожки, близкой к температуре кипения материала, заполняющего полость, при вращении анода полость работает как тепловая труба (при вращении анода жидкость прижимается к внешней стенки полости, а продукты испарения поступают на внутреннюю стенку), что позволяет, охлаждая фокусную дорожку, получать близкое к равномерному распределение температуры по объему анода. Как показали расчетно-экспериментальные исследования, при выполнении в подложке анода полости, напряжения, возникающие в мишени, зависят в основном не от общей толщины подложки, а от расстояния между мишенью и полостью.

Нанесение слоя мишени только в области фокусной дорожки приводит к уменьшению расхода материала мишени, кроме того, это позволяет лучше отводить тепло из области фокусного пятна, используя для подложки более теплопроводный материал, чем материал мишени. Эта также уменьшает термические напряжения в мишени и подложке анода, которые увеличиваются с ростом радиуса контакта мишени с подложкой. Превышение ширины мишени фокусного пятна с каждой стороны менее, чем на толщину мишени может приводить к перегреву подложки.

Выполнение мишени из монокристалла позволяет повысить ресурс анода, так как монокристаллический материал обладает большей пластичностью и прочностью, чем поликристаллический. Кроме того, за счет эффекта каналирования монокристаллическая мишень позволяет получать рентгеновское излучение большей интенсивности.

Расчетно-экспериментальные исследования показывают, что большие перепады температур и соответственно высокий уровень напряжений реализуются только в зоне фокусной дорожки, тогда как в остальном объеме подложки анода термические напряжения существенно ниже. Поэтому для облегчения анода и удешевления его изготовления средняя плотность материала подложки может быть ниже плотности материала в зоне фокусной дорожки (например, подложка может быть выполнена пористой во всем объеме, кроме зоны фокусной дорожки).

При уменьшении толщины мишени, как показывают исследования, пластические характеристики мишени приближаются к соответствующим характеристикам подложки, поэтому если подложка выполнена из материала, обладающего большей пластичностью, чем материал мишени, то фокусная дорожка анода выдерживает больше термоциклов до разрушения, чем анод, выполненный целиком из материала мишени.

В результате импульсного нагрева анода при его эксплуатации поверхность основания в зоне фокусной дорожки существенно перегревается относительно его центральной части. Так, например, при диаметре анода 100 мм, подложка которого выполнена из молибденового сплава МН6 при толщине 5 мм и при мощности теплового потока 13,5 кВт радиальный перепад температур превышает 500 К. Поэтому в центральной части анода возникают растягивающие напряжения.

При выполнении центральной части подложки из сплава, КТР которого на 5% выше КТР сплава МН6, уровень растягивающих напряжений в аноде уменьшается более, чем на 15%, что обеспечивает повышение стойкости анода к тепловым нагрузкам.

На чертеже показаны предлагаемые вращающиеся аноды рентгеновской трубки. Они содержат подложку 1, на которой размещена мишень 2 с фокусной дорожкой 3. На чертеже (вид а) показана также полость 4, заполняемая материалом с низкой температурой кипения.

Пример конкретного выполнения

В молибденовой подложке, диаметр которой составляет 120 мм, толщина центральной части 29 мм, а угол конусной рабочей поверхности 12, механическим образом выполняют тороидальную полость шириной 20 мм и высотой 15 мм, толщина перемычки между полостью и рабочей поверхностью составляет 3,5 мм. Половина объема полости заполнялась натрием. При этом диаметр центрального отверстия для вала ротора составляет 10 мм, после чего на рабочую поверхность анода наносят (например, из парогазовой фазы) слой вольфрамовой мишени толщиной 1,5 мм. Как показали расчетно-экспериментальные исследования, в процессе эксплуатации анода при непрерывном режиме с интенсивностью потока тепла 9 кВт, временем экспозиции 12 с перерывом между экспозициями 20 с, время перерыва между сериями 12 с, температура фокусной дорожки такой конструкции более чем на 50 К ниже температуры аналогичного анода без полости, при этом уровень напряжений в мишени на 20% ниже уровня напряжений в аноде без полости, что приводит к увеличению ресурса анода почти в два раза.

Заявляемая конструкция обеспечивает в сравнении с прототипом повышенную эксплуатационную надежность и работоспособность. Достигаемое при этом снижение рабочих напряжений позволяет использовать анод в томографах повышенной мощности.