Способ изготовления анода рентгеновской трубки

 

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при изготовлении анодов рентгеновских трубок медицинского и технического назначения. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение долговечности за счет увеличения числа циклов до разрушения анода при одновременном уменьшении расхода дорогостоящего легирующего элемента, Re. Поставленная задача решается с помощью размещения в приповерхностном слое фокусной дорожки анода толщиной 1,5-4 мкм легирующего элемента, Re в количестве, обеспечивающем в приграничных участках зерен и межзеренных границах слоя анода толщиной 70 мкм среднюю концентрацию легирующего элемента 20-30 мас.% и последующего изотермического отжига анода в течение 9-85 ч при температуре ниже температуры рекристаллизации его материала. Внедрение легирующего элемента в приповерхностный слой осуществляется методом ионной или лазерной имплантации. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при изготовлении анодов рентгеновских трубок медицинского и технического назначения.

Известен способ получения анода, заключающийся в нанесении на подложку в области фокусной дорожки способом порошковой металлургии, а также методом химического или физического осаждения из газовой фазы тугоплавких материалов с последующим проплавлением области фокусной дорожки на глубину до 1,5 мм [Патент Австрии N 397005 МПК5 H 01 J 35/10, з. 07.05.1991 г.].

При изготовлении анода предложенным способом между покрытием и подложкой получается резкая граница. Наличие пор и различных структурных дефектов на этой границе снижает ее прочность, в результате чего долговечность анода при циклическом тепловом нагружении ограничивается разрушением этой границы.

Кроме того, использование токсичных материалов (фторидов вольфрама и рения) при получении покрытий методом химического осаждения из газовой фазы в аварийных ситуациях приводит к нарушению экологии.

Известен также способ получения анода, заключающийся в нанесении на подложку в области фокусной дорожки тугоплавких материалов методом индуктивного плазменного напыления [Заявка ЕПВ, N 0874385 МПК5 H 01 J 35/10, з. 17.04.1998 г.].

При таком способе между покрытием и подложкой также получается резкая граница, которая не может быть размыта путем отжига за приемлемое время [Тугоплавкие металлы в новой технике. Пер. с англ., М., Мир, 1969, с. 329]. Для предотвращения разрушения границы необходимо снизить напряжения, возникающие на ней в процессе теплового нагружения. В рамках прототипа это достигается путем увеличения толщины покрытия до 0,7 мм. Однако в случае использования рения в качестве легирующего элемента материала покрытия это приводит к увеличению расхода рения и повышению стоимости анода.

Задачей настоящего изобретения является повышение долговечности (увеличения числа циклов до разрушения) анода при одновременном уменьшении расхода дорогостоящего легирующего элемента, например Re.

Согласно изобретению поставленная задача решается с помощью размещения в приповерхностном слое фокусной дорожки анода толщиной 1,5-4 мкм легирующего элемента, например Re в количестве, обеспечивающем в приграничных участках зерен и межзеренных границах слоя анода толщиной 70 мкм средней концентрации легирующего элемента 20-30 мас.% и последующего изотермического отжига анода в течение 9-85 ч при температуре ниже температуры рекристаллизации материала анода. Внедрение легирующего элемента в приповерхностный слой осуществляется методом ионной или лазерной имплантации.

При работе рентгеновской трубки максимальная температура фокусной дорожки достигает ~ 2800oC. В этом случае значительный вклад (до 90%) в общую деформацию поликристалла дает проскальзывание по границам зерен [Р.К. Джифкинс. Механизм межкристаллитного разрушения при повышенных температурах. Материалы международной конференции по вопросам разрушения. "Атомный механизм разрушения", Пер. с англ. , М., ГНТИ, 1963, с. 604]. Физическая сущность образования несплошностей при проскальзывании по границам зерен поликристалла состоит в том, что в приграничных участках заторможено дислокационное скольжение и релаксация термонапряжений происходит за счет разрушения отдельных участков более слабой (по сравнению с зерном) границы. Другими словами, одно зерно смещается (проскальзывает) относительно другого зерна с образованием локальной несплошности. Далее эти несплошности обуславливают разрушение (образование трещин) по границам зерен.

Для устранения образования несплошностей при проскальзывании легирующий элемент в соответствии с настоящим изобретением внедряется в приповерхностный слой анода, после чего проводится изотермический отжиг. При отжиге рений за счет диффузии по границам зерен проникает в глубь анода, создавая убывающий профиль распределения рения по толщине, в результате чего не возникает резкой границы.

Располагаясь по границам зерен, рений придает приграничным участкам зерен запас пластичности (в макроскопическом масштабе). Это приводит к более полной релаксации термонапряжений и подавлению развития несплошностей. Примеси рения снижают ковалентный характер межатомной связи вольфрама и "очищают" границу от вредных примесей. В совокупности эти факторы, как известно, приводят к повышению долговечности анода.

Предложенный способ позволяет сформировать область фокусной дорожки как в анодах, изготовленных из однородного материала (например, W), так и в комбинированных анодах.

В качестве примера рассмотрим создание области фокусной дорожки в комбинированном аноде, состоящем из молибденовой подложки и вольфрамового покрытия, при ионной имплантации рения в приповерхностный слой анода.

Расчет проведем для рентгеновской трубки 20-40БД40-125, предназначенной для медицинской диагностики. Рассмотрим два режима работы трубки: наиболее жесткий (режим снимков) и наиболее мягкий (режим просвечивания). В режиме снимков максимальная температура фокусного пятна равна 2800oC, а средняя температура фокусной дорожки - 1400oC. В режиме просвечивания максимальная температура фокусного пятна равна 1900oC, а средняя температура фокусной дорожки - 1600oC.

Согласно паспорту на рентгеновскую трубку время эксплуатации трубки в режиме просвечивания составляет 300 часов, а в режиме снимков трубка должна обеспечить не менее 30000 включений.

В процессе отжига имплантированные в приповерхностный слой анода атомы рения по границам зерен диффундируют в глубь анода и одновременно проникают в приграничные участки зерен. При эксплуатации рентгеновской трубки проникновение рения как в глубь анода, так и в глубь зерен продолжается, в результате чего его концентрация в межзеренных границах и приграничных участках зерен снижается. Согласно [Ю.Д. Денискин, Ю.А. Чижунова. Медицинские рентгеновские трубки и излучатели. М., Энергоатомиздат, 1984, с. 167] для повышения долговечности анода в области фокусной дорожки должно находиться 5-10 мас.% Re. Следовательно, в процессе отжига глубина проникновения рения вглубь анода должна быть такой, чтобы в процессе эксплуатации концентрация рения в межзеренных границах и приграничных участках зерен не снизилась ниже 5-10 масс.%. Проведенные расчеты показали, что для выполнения этого условия глубина проникновения рения в анод должна равняться 70 мкм. Эта величина также превышает расчетные значения глубин (10-50 мкм), начиная с которых уровень напряжений в аноде становится ниже допустимых для материала анода.

Определим время отжига, необходимое для того, чтобы атомы Re по границам зерен продиффундировали на глубину 70 мкм. Характерное время такой миграции может быть определено следующим образом где Ds - коэффициент диффузии легирующего материала по границам зерен, z - глубина проникновения легирующего элемента в анод.

Согласно [Б. Я.Любов. Диффузионные процессы в неоднородных твердых средах. М., Наука, 1981, с. 155] коэффициент диффузии по границам зерен в ~ 105 - 106 раз больше коэффициента объемной диффузии D Взяв температуру отжига равной 1750oC, что ниже температуры рекристаллизации материала подложки из молибдена, и выражение для коэффициента объемной диффузии в виде [N.N. Arkhipova, S.M. Klotsman et. al. Phys. Rev. B, v. 30, N 4, p. 1788, 1984]: получим t ~ 9-85 ч.

За это время глубина проникновения Re в зерно будет равна: для t = 9 ч - 0,07 мкм, а для t = 85 ч - 0,22 мкм. Такая глубина проникновения является достаточной для придания пластичности границам зерен. При эксплуатации глубина проникновения рения в анод увеличивается до 100 мкм, а средняя глубина проникновения Re в тело зерна увеличивается на ~ 0,33 мкм в режиме снимков и на ~ 0,2 мкм - в режиме просвечивания. С учетом режима отжига общая глубина проникновения Re в зерно составит от 0,4 до 0,55 мкм. Расчеты показывают, что в процессе эксплуатации рентгеновской трубки концентрация рения в приграничных участках зерен и межзеренных границах уменьшается в 4-6 раз. Следовательно, после отжига концентрация Re в приграничных участках зерен и межзеренных границах должна быть равной 20-30 мас.%, что не превышает предела растворимости Re в W [Е.М. Савицкий, Г.С. Бурханов. Металловедение тугоплавких металлов и сплавов. М., Наука, 1967, с. 226].

Оценим теперь, какова должна быть толщина приповерхностного слоя анода, в который имплантируются атомы рения, чтобы в слое анода толщиной 70 мкм в приграничных участках зерен и межзеренных границах обеспечить в процессе отжига концентрацию Re равной 20-30 мас.%.

Толщину приповерхностного слоя определим из следующего выражения: где с - концентрация атомов Re в приповерхностных участках зерен и межзереннных границах после отжига; - толщина межзереннной границы; - толщина приграничного участка зерна, n - концентрация атомов Re в приповерхностном слое анода, r - характерный размер зерна.

Согласно [Ю.А. Быковский, В.Н. Неволин, В.Ф. Фоминский. Ионная и лазерная имплантация металлических материалов, М., Энергоиздат, 1991, с. 52] максимальная концентрация легирующих атомов при ионной имплантации не превышает, как правило, 30 ат.%. Так как массы атомов Re и W практически равны, то массовые и атомные концентрации совпадают.

При расчетах примем n равной 30%, с - 20-30% - 1 нм, 0,07-0,22 мкм, z - 70 мкм, r - 10 мкм. В результате получим z = 1,5-4 мкм.

Таким образом, предложенный способ позволяет изготовить анод с повышенной долговечностью при одновременном уменьшении расхода дорогостоящего легирующего элемента, например Re.

Формула изобретения

1. Способ изготовления анода рентгеновской трубки, включающий формирование в аноде области фокусной дорожки из тугоплавкого материала, отличающийся тем, что в приповерхностном слое фокусной дорожки анода толщиной 1,5 - 4 мкм размещают легирующий элемент Re, в количестве, обеспечивающем в приграничных участках зерен и межзеренных границах слоя анода толщиной 70 мкм среднюю концентрацию легирующего элемента 20 - 30 мас.%, и проводят изотермический отжиг анода в течение 9 - 85 ч при температуре ниже температуры рекристаллизации его материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размещение легирующего элемента в приповерхностном слое осуществляют методом ионной или лазерной имплантации.



 

Похожие патенты:

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

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

Изобретение относится к рентгенотехнике, конкретно к способам изготовления наиболее ответственного узла рентгеновской трубки вращающегося анода или его части металлической мишени

Изобретение относится к медицинской диагностике, в частности к рентгеновским трубкам металлокерамической конструкции с вращающимся анодом на гидродинамической опоре со спиральными канавками, и может быть использовано для рентгеновских диагностических аппаратов широкого профиля с излучением большой мощности

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

Изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно к вращающимся анодам рентгеновских трубок большой мощности, применяемых в медицинской диагностике
Изобретение относится к источникам рентгеновского излучения и может быть использовано при создании рентгеновских излучателей с повышенным уровнем мощности и ресурсом работы для медицинских и технических целей

Изобретение относится к технической физике и направлено на дальнейшее совершенствование наиболее ответственного узла рентгеновского аппарата - рентгеновской трубки, и может быть использовано при изготовлении комбинированных анодов мощных рентгеновских трубок с вращающимся анодом, применяемых, например, в рентгено-диагностических аппаратах

Изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно к анодам рентгеновских трубок, и может быть использовано в медицине для диагностики и в технических устройствах для рентгеноструктурного анализа материалов и других областях науки и техники

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при изготовлении анодов рентгеновских трубок медицинского и технического назначения

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам изготовления вращающихся анодов рентгеновских трубок
Изобретение относится к рентгеноструктурному анализу материалов

Изобретение относится к рентгенотехнике, а именно к вращающимся анодам рентгеновских трубок

Изобретение относится к тормозным рентгеновским источникам с принудительным охлаждением вращающегося анода

Изобретение относится к формированию рентгеновских изображений

Настоящее изобретение относится к рентгеновским системам для получения изображений с высоким разрешением. Система рентгеновского сканера содержит матрицу пространственно распределенных, последовательно коммутируемых рентгеновских источников с заданной частотой коммутации. Каждый рентгеновский источник содержит анод с плоской поверхностью, наклоненной под острым углом относительно плоскости, перпендикулярной направлению входного электронного пучка, встроенный приводной блок и блок управления приводом для управления размером, направлением, скоростью и/или ускорением поступательного и/или поворотного перемещения анода. Во втором варианте выполнения система рентгеновского сканера дополнительно содержит отклоняющее средство для генерации электрического и/или магнитного поля, отклоняющего электронный пучок в направлении, противоположном направлению поступательного перемещения вращающегося анода, и блок управления отклонением для регулировки напряженности электрического и/или магнитного поля таким образом, чтобы компенсировать отклонения положения фокусного пятна, происходящие в результате поступательного смещения вращающегося анода относительно неподвижной установочной плиты. В третьем варианте выполнения системы блок управления приводом выполнен с возможностью управления размером, направлением, скоростью и/или ускорением поступательного перемещения соответствующего анода, выполняемым, по меньшей мере, одним встроенным приводным блоком в зависимости от отклонения температуры анода в положении фокусного пятна от номинальной рабочей температуры. Использование изобретения позволяет предотвратить неисправность анода вследствие перегрева. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к рентгеновским трубкам с вращающимся анодом для генерации веерного пучка рентгеновских лучей. Система для измерения и компенсации повторяющегося отклонения (Δz) реального положения от желаемого положения фокального пятна пучка (FS) электронов, который излучается электронным эмиттером катода рентгеновской трубки (С) в области мишени (AT) вращающегося анодного диска рентгеновской трубки (RA), содержит датчик (WS) положения, адаптированный для определения повторяющегося отклонения, по меньшей мере, за один его период, элемент отклонения пучка (BD) с интегрированным устройством управления, адаптированный для отклонения указанного пучка (ЕВ) электронов на основании результатов измерения, полученных с датчика (WS) положения, таким образом, что путь фокального пятна пучка электронов описывает определенную траекторию. Система адаптирована для измерения и компенсации периодического колебания угла наклона вращающегося анодного диска (RA) рентгеновской трубки относительно идеальной плоскости вращения, которая ориентирована по нормали к вращающемуся валу (S), на котором вращающийся анодный диск (RA) закреплен под наклоном в связи с погрешностью в процессе производства. Датчик (WS) положения адаптирован для определения отклонений указанного угла наклона во времени. Технический результат - улучшение качества изображения.4 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при изготовлении анодов рентгеновских трубок медицинского и технического назначения

Наверх