Вращающийся анод рентгеновской трубки

 

Использование: в рентгеновских трубках с вращающимся анодом для диагностического медицинского оборудования. Сущность изобретения: анод содержит диск из тяжелого металла, соединенный с графитовой подложкой, в которой выполнены сквозные отверстия с впаянными в них тонкостенными гильзами; балансировочные элементы, выполненные в виде конусов, закреплены в полости гильз так, что вершина конуса направлена в сторону открытого торца гильзы. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технической физике, а более конкретно к конструктивному исполнению ответственного узла рентгеновской трубки-анода и может найти применение в мощных рентгеновских трубках с вращающимся анодом, используемых, например, в рентгеновских томографах.

Известна конструкция вращающегося анода, у которой в графитовом диске анода выполняют сквозные отверстия для установки в них металлических балансировочных элементов в виде цилиндров. Цилиндры и диски соединены гайкой. Данная конструкция защищена патентом ФРГ N 2646454, кл. H 01 J 35/10, 1976 г.

Недостатком описанной выше конструкции является то, что паяный шов между металлическим и графитовым дисками с отверстиями может разрушаться при воздействии термоциклических нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации анода. Кроме того, отвод тепла через металлические балансировочные элементы менее эффективны, чем от поверхности графита, из-за низкой величины коэффициента черноты, что существенно ухудшает тепловой режим анода.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является конструкция анода, защищенная патентом России, заявка N 5061820, которая выбрана в качестве прототипа.

Анод содержит диск из тяжелого металла или сплава с глухими отверстиями и присоединенную к нему пайкой графитовой подложку, в которой выполнены сквозные отверстия, каждое из которых расположено напротив соответствующего глухого отверстия в диске. В сквозные отверстия подложки впаяны тонкостенные гильзы, величина заглубления дна которых в тело диска больше толщины дна гильзы. Гильзы выполнены из металла с коэффициентом термического расширения (КТР), близким к КТР материала диска. Балансировочным элементом является обод диска. Балансировка осуществляется снятием металла по диаметру диска.

Недостатком описанной конструкции является то, что возникают технологические трудности при ее изготовлении, а именно, технологически сложно изготовить тонкостенные гильзы малого диаметра из молибдена. Кроме того, для балансировки анода требуется создание дополнительного слоя металла в виде обода. Наличие обода приводит к увеличению веса всего анода увеличению нагрузки на вал рентгеновской трубки.

Настоящее изобретение решает задачу создания более технологической конструкции анода с одновременным обеспечением благоприятных условий для балансировки.

Поставленная задача решается за счет того, что во вращающемся аноде рентгеновской трубки, содержащем диск из тяжелого металла или сплава с глухими отверстиями и присоединенную к нему пайкой графитовую подложку, в которой выполнены отверстия, каждое из которых расположено напротив соответствующего глухого отверстия в диске, балансировочные элементы, тонкостенные гильзы впаянные в сквозные отверстия подложки, величина заглубления дна которых в тело диска больше толщины дна гильзы, а гильзы выполнены из материала с коэффициентом термического расширения (КТР) близким к КТР материала диска, согласно изобретению балансировочные элементы выполнены в виде конусов, закрепленных в полости каждой из гильз так, что вершина конуса направлена в сторону открытого торца гильзы. При этом закрепление осуществлено по цилиндрическому пояску, угол наклона образующей конической поверхности к оси выбран не более 10^o, крепление конуса в гильзе, осуществлено по резьбе, вдоль образующей цилиндрического пояска выполнены пазы, балансировочные элементы выполнены из титана, материала балансировочных элементов имеет пористую структуру.

Возможность решения поставленной задачи обусловлена тем, что изменено метол балансировки анода. Форма балансировочных элементов и место их размещения обеспечивают излучение в зоне гильз на уровне абсолютно черного тела при таких соотношениях размеров гильз, что исключен вопрос о технологичности изготовления гильз. При этом размеры гильз изменены так, что уровень контактных напряжений в паяном шве "металл гильзы графит" не увеличился. Изменять вес балансировочных элементов при балансировке предполагается выборкой материала со стороны торца, что не представляет сложностей. Выполнение соединения балансировочных элементов разборным (по резьбе) позволяет проводить выборку материала многократно. Выбор угла наклона не более 10^o позволяет образованной полости излучать максимально, а пазы в балансировочных элементах способствует более быстрому и качественному вакуумированию при подготовке трубки к работе. Благодаря наличию у титана, используемого в качестве материала балансировочных элементов, свойств геттера обеспечивается поддержание требуемого уровня вакуума в процессе эксплуатации трубки, а выполнение барьерного элемента с развитой (пористой) поверхностью повышает эффективность работы геттера.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

В процессе поиска не выявлено технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками предлагаемого решения, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 приведен общий вид анода в разрезе; на фиг. 2 балансировочный элемент.

Вращающийся анод содержит диск 1, из тяжелого металла, на поверхности 2 которого выполнена кольцевая дорожка 3 для получения рентгеновского излучения. Графитовая подложка 4 расположена у донного торца диска 1 и соединена с ним пайкой. В диске 1 выполнены глухие отверстия 5. Подложка 4 имеет сквозные отверстия 6, которые при соединении диска 1 и подложки 4 являются продолжением отверстий 5. Металлические гильзы 7 впаяны в отверстия 5 и 6 так, что величина заглубления донной части 8 гильз 7 в отверстие 5 больше толщины донной части 8. Балансировочные элементы 9 в виде конусов установлены в полость гильз 7, например, с помощью резьбы, выполненной на цилиндрических поясках 10 конусов 9.

Угол наклона конусной поверхности балансировочного элемента к оси выполнен равным не более 10^o. Каждый балансировочный элемент 9 установлен так, что вершина конуса направлена в сторону открытого торца гильзы 7. Между внутренней стенкой 11 гильзы 7 и боковой поверхностью конуса 9 образуется кольцевая полость 12, расширяющаяся в направлении открытого торца гильзы 7.

Пазы 13 выполнены на боковой поверхности цилиндрической части конусов 9. Конусы 9 выполнены из титана или пористого титана.

При изготовлении анода осуществляют сборку диска 1 графитовой подложки 4, гильз 7 и соединение их между собой пайкой. Балансировочные элементы 96 с помощью резьбы 14 завинчивают в гильзы 7 до упора в донную ее часть. Изготовленный анод устанавливают на испытательный стенд, осуществляют вращение со скоростью, равной скорости вращения его в процессе эксплуатации, и определяют, какое количество металла на каком месте анода необходимо убрать. Нужный балансировочный элемент выворачивают, в донной части высверливают полость 15, величина которой соответствует тому, сколько металла в этом месте необходимо убрать. Величина полости 15 в каждом из балансировочных элементов 9 может быть различной, а в некоторых из них полости может не быть. Такая конструкция позволяет проводить балансировку не только выборкой материала конуса, но и местом его установки, т.е. перемещая балансировочный элемент 9 по резьбе, устанавливая конус более глубоко в полость гильз 7.

Готовый к работе анод устанавливают на вал рентгеновской трубки, корпус трубки вакуумируют. Поток электронов направляют на дорожку 3 для получения рентгеновского излучения. В процессе бомбардировки мишени слоя 3 анод нагревается. Отвод тепла от диска 1 осуществляется преимущественно с поверхности графитовой подложки 4, т.к. графит имеет высокую степень черноты. Гильзы 7, установленные в отверстиях графитовой подложки 4, способствуют лучшему отводу тепла к наружным слоям графита. Балансировочные элементы 9 через контакт с металлическими гильзами 78 также способствуют отводу тепла. Кольцевая полость 12 повышает интенсивность отвода тепла, т.к. параметры полости обеспечивают ей излучение на уровне абсолютно черного тела.

При охлаждении анода после пайки (при изготовлении), либо после отключения напряжения в процессе работы анода, из-за разности в коэффициентах термического расширения (КТР) материала подложки 4 и диска 1 в паяном шве возникают термические напряжения. Соотношение диаметра и толщины стенки гильз 7 были увеличены пропорционально так, чтобы величина напряжений осталась на прежнем минимальном уровне.

При сборке проводят очистку деталей, однако в процессе эксплуатации происходит газовыделение из материалов деталей. Предотвратить газовыделение из таких материалов, как графит, практически невозможно. Газовыделение ухудшает вакуум и этим снижает надежность работы трубки. Балансировочные элементы 9, выполненные из титана, работают как геттеры, связывая выделившиеся газообразные продукты и тем самым повышают надежность работы трубки в целом.

В институте в процессе отработки предлагаемой конструкции изготавливали анод-макет, содержащий диск из молибдена, графитовую подложку с отверстиями диаметром 16 мм. В отверстие впаивали гильзы из молибдена диаметром 16 мм, толщиной стенки 1 мм, длиной 50 мм. На внутренних стенках гильз выполняли резьбу, балансировочные элементы из титана в виде конуса с углом наклона образующей конической поверхности, равным 10^o, цилиндрическим пояском у основания высотой 5 мм, на которой выполнена резьба, вворачивали в отверстия гильз.

Контрольные опыты по теплоотводу показали, что при одной и той же температуре нагрева начальная скорость охлаждения оставила для прототипа 11^o/с, а для разработанной конструкции 14^o/с.

Формула изобретения

1. Вращающийся анод рентгеновской трубки, содержащий диск из тяжелого металла или сплава с глухими отверстиями и присоединенную к нему пайкой графитовую подложку, в которой выполнены сквозные отверстия, каждое из которых расположено напротив соответствующего глухого отверстия в диске, балансировочные элементы, тонкостенные гильзы, впаянные в сквозные отверстия подложек, величина заглубления дна которых в тело диска больше толщины дна гильзы, при этом гильзы выполнены из материала с коэффициентом термического расширения, близким к коэффициенту термического расширения материала диска, отличающийся тем, что балансировочные элементы выполнены в виде конусов, закрепленных в полости каждой из гильз так, что вершина конуса направлена в сторону открытого торца гильзы.

2. Анод по п. 1, отличающийся тем, что закрепление балансировочных элементов осуществляют по цилиндрическому пояску у основания конуса.

3. Анод по п. 1, отличающийся тем, что угол наклона образующей конусной поверхности балансировочного элемента к оси выбран не более 10^o.

4. Анод по п. 1, отличающийся тем, что крепление конуса в гильзе осуществлено с помощью резьбы.

5. Анод по п. 1, отличающийся тем, что вдоль образующей цилиндрического пояска выполнены пазы.

6. Анод по п. 1, отличающийся тем, что балансировочные конусы выполнены из титана.

7. Анод по п. 6, отличающийся тем, что материал балансировочного элемента имеет пористую структуру.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2