Вращающийся анод рентгеновской трубки и способ его изготовления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Рвспублик

<1>949739 (61) Дополнительное к;..т. свид-ву (22) Заявлено 22 ° 01 ° 81 (21) 3243855/18-25 (31) М. Кл.з

Н 01 J 35/10 с присоединением заявки ¹

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

)53) УДК 621. 386 .2(088.8) Опубликовано 07.08,82.Бюллетень Мо 29, Дата опубликования описания 07 08.82

Ю.M.Êoðoëåâ, В.A.Ñoðêèí, В.С.Фастовскйй;--Л Г Ащц ущенко, С Г Семенов Ю Н Зеленов В Н Стархов и В К Пчицкий (72) Авторы (54) ВРАЩАЮЩИЙСЯ АНОД РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ

И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к технической физике и направлено на дальнейшее совершенствование наиболее ответственного узла рентгеновских аппаратов — рентгеновской трубки.

Рентгеновское излучение широко используется в различных областях техники и в медицине. Требования современной техники выдвигают необходимость в создании рентгеновских трубок повышенной мощности 30-150 кВт. Наиболее напряженным узлом в трубке является анод, который вращается со скоростью 3000-9000 об/мин и подвергается локальной бомбардировке электронным пучком. В процессе эксплуатации анод в течение 1-4 с разогревается до 1200-1500 С. 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 500 С в течение 3-10мин;

В процессе эксплуатации трубка должна выдерживать несколько десятков тысяч включений, а анод при этом претерпевать соответствующее количество описанных термоциклов.

Известен анод, состоящий из графи.товой основы, на рабочей поверхности которой имеется .вольфрамовое покрытие °

Известен способ изготовления такого .анода путем нанесения на основу из графита вольфрамового покрытия (1).

Анод описанной конструкции.не пригоден для длительной эксплуатации в трубках повышенной мощности, так как при термоциклировании происходит отслоение вольфрамового покрытия за счет различия в коэффициентах термического Расширения КОТорое Усугубляется карбидизацией вольфрама, протекающей при 1400 С и приводящей к охрупчиванию вольфрама даже при повы- . шенных температурах (500-1500 С).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является вращающифся анод рентгеновский трубки, содержащий трехслойный диск, централь ный слой которого выполнен из вольф-, рама. Основа этого анода выполнена из молибцена или из вольфрама о рением (с10%1 или сплава вольфрама с металлом платиновой группы (2) .

Недостатком этого анода является его высокая стоимость из-за наличия дорогостоящего рения.

949739

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ изготовления вращающегося анода путем прессования вольфрамового порошка, спекания и последующей деформации заготовки со степенью деформации 80-85%. Анод представляет собой диск диаметром ф 55-100 мм с отверстием по оси диаметром 6-9 мм P3).

Такой анод характеризуется повышенным содержанием примесей, что при-!О водит к переносу вольфрама с нагретой поверхности анода v относительно холодные стенки трубки за счет реак,ции водяного и углеродного циклов:

Ы+ Н О высокая температура ЧО + Н 15

ЧО +xH низкая температура

ИО + СО

Ы+xСО ЧО +x00 низкая температура

В результате происходит поглощение рентгеновского излучения и снижение эффективности работы трубки.

Описанному варианту присущ еще один недостаток. 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 ра6оты трубки.

Укаэанная цель достигается тем, что во вращающемся аноде рентгеновской трубки, содержащем трехслойный: 33 диск, центральный слой которого выполнен из вольфрама, наружные слои выполнены иэ фторидного вольфрама, деформированного со степенью 60-85%, а центральный слой вЂ,из порошкового 4Q вольфрама, деформированного со степенью 90-98%, причем толщина его составляет 5-50% от общей толщины диска.

В способе изготовления вращающегося 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 вольфрама путем восстановления его гексафторида водородом и снова подвергают деформации со степенью 60-85%.

В процессе эксплуатации электронный 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 отверстие60 со скоростью 3000-9000 об/мин. В этих условиях температура на вогнутой (тыльной) стороне анода не превышает

15000С. Продолжительность работы в описанном режиме составляет 0,1"10 с,65 после чего бомбардировка электронами рабочей поверхности анода прекращается и анод охлаждается при вращении до, 500 С в течение 5-10 мин. Затем цикл повторяется и т.д.

Фторидный вольфрам, получаемый в результате газофазного осаждения вольфрама иэ смеси его гексафторида с водородом по реакции 6пээ+ ЗНа т .,в+ 6нГга3, является наиболее чистой разновидностью вольфрама, поэтому его испольэова. ние для изготовления перифери ных слоев анода резко снижает газовыделения и перенос вольфрама на стенку трубки. Благодаря своей чист те 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, .которая для недеформированного мате" риала лежит выше 1800 С. Однако в исходном состоянии он имеет низкие прочностные характеристики. В процессе деформации 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 рекристаллиэации фторидного вольфрама остается выше 1500 С. Учитывая, что на тыльной стороне анода в рабочих условиях температура не превышает 1500 С, 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 замет. ной 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 анизотропия свойств и температура рекристаллизации снижается ниже 1500 С. 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 продик949739 тован необходимостью разр шать характерную для фторидного вольфрама столбчатую структуру и повысить тем самым прочностные характеристики материала, что происходит при степени деформации материала более 60%. 5

Центральный слой из порошкового вольфрама, подвергнутого деформации со степенью 90-98%, является наиболее прочным в данной конструкции, так как прочностные характеристики во- ð льфрама возрастают с увеличением степени деформации..Он выполняет роль армирующего элемента и повышает прочность конструкции в целом. Если степень деформации периферийных слоев составляет 60% (прочность их относительно невысока), то толщина армирующего слоя должна быть максимальной 40-50% от общей толщины. С увеличением степени деформации периферийных слоев до 85% их прочность

20 возрастает и толщина армирующего слоя 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 степени деформации. При степенях деформации более 90% прочностные характерис- 30 тики возрастают менее интенсивно, а при степенях деформации более 98% проявляется расслой материала, что снижает теплопроводность анода, при-. водит к перегреву его рабочей по- 35 верхности и преждевременному выходу

его из строя.- Учитывая выше изложенное, рекомендуемая степень деформации центрального слоя из порошкового вольфрама составляет 90-98%. 40

Соединение описанных слоев осуществляется осаждением фторидного вольфрама с обеих сторон на деформированную пластину из порошкового вольфрама в условиях, обеспечивающих сцепление слоев. Полученную трехслойную заготовку затем прокатывают до степени деформации 60-85%. В результате достигается надежное соединение слоев (прочность сцепления превышает 15 кг/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 1500-1600 С и способствует сохранению высоких прочностных свойств в течение всего ресурса работы. 60

Зарождение .трещины обычно происходит на рабочей поверхности анода.

Но в предлагаемой конструкции она развивается, лишь до слоя порошкового вольфрама. Изменение структУРы ма- . 65 териала препятствует 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 обслу. живающим персоналом, т.е. улучшаются условия труда.

Пример 1. Вольфрамовую 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 +53NaNO> при 450-600 С. 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

WF6Tas+ 3Н С, = К + 6HF > . Содержание гексафторида вольфрама в газовой смеси составляет .33 мольн.%. указан ная температура необходима для восстановления окислов вольфрама на ленте и получения прочного сцепления покрытия с основой. Спустя 3 мин, температуру снижают до 530+30 g а содержание гексафторида вольфрама в газовой смеси уменьшают до

22+2 мольн.%. После осаждения фторидного вольфрама в течение 28 ч полу.чают пластину толщиной 22 мм. Ее разрезают на отрезки длиной 120 мм и прокатывают до толщины 4,5 мм с нагревом до 1450150 С. Степень деформации слоев фторидного вольфрама состав ляет 85%.

Суммарная степень деформации центрального слоя из порошкового вольфрама составляет 98%, а его толщина

0,225. мм, что составляет 5% от общего сечения. Из покрученных листов вырезают диски 41 100 мм и прошивают по оси-отверстие ф 8,5 мм. ЗаТем подвергают формованию.

ИсПытания проводят в рентгенОвской трубке с вращающимся анодом мощностью 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 работоспособным. Аноды таких же размероВ иэ порошкового вольфрама в аналогичных трубках .выдерживают не более 10000 включений.

Пример 2. Вольфрамовую полосу толщиной 7,5 мм, полученную деформацией порошкового вольфрама co. i степенью деформации 75%, обрабатывают как описано в примере 1 и аналогичным образом осаждают фторидный вольфрам до получения пластины толщиной 15 вы, которую затем прокатывают до толщины 6 мм. Степень дефор949739

Составитель T.Âëàäèìèðîâà

Редактор С.Тараненко Техред N.Tenep

КоррекТор F. Огар

Заказ 5763/43 Тираж 761

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 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 фторидного вольфрама составляет 1, 5мм, Испытания отформованного анода ф 100 мм проводят в рентгеновской трубке мощностью 60 кВт. Продолжительность экспозиции-составляет 1 с. 0 при скорости вращения анода 9000об/мин

Длительность перерыв;. между включениями 4 мин. Анод s составе трубки, работавшей в описанном режиме, выцерживает 15000 включений. 15

Для оценки раэрушаемости анодов предлагаемой конструкции проводят следующие испытания. Анод толщиной

4,5 мм и диаметром 100 мм нагревают 20 до 400ОC 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 фторидным и порошковым вольфрамом. Такой анод ставят на стенд и вращают со скоростью 3000 об/ми. Дополнительного развития .трещин при .этом не про-30 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 аю шийся тем, что с целью удешевления конструкции q повышения ресурса работы трубки, наружные слои выполнены из фторидного вольф,рама, деформированного со степенью

60-85%, а центральный — из порош- кового вольфрама, деформированного со степенью 90-98%, причем толщина

его составляет 5-50% от общей . олщины диска.

Способ изготовления вращающего-, ся анода путем прессования вольфрамового порошка, спекания и последующей деформации заготовки, о т л и— ч а ю шийся 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 подвергают деформации со степенью 60-85%..

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

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

2. Патент США Р 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).