RU2022394C1 - Rotating anode of x-ray tube - Google Patents

Rotating anode of x-ray tube Download PDF

Info

Publication number
RU2022394C1
RU2022394C1 SU5061820A RU2022394C1 RU 2022394 C1 RU2022394 C1 RU 2022394C1 SU 5061820 A SU5061820 A SU 5061820A RU 2022394 C1 RU2022394 C1 RU 2022394C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
disk
sleeve
graphite
sleeves
holes
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Н.Н. Валуев
В.А. Горновой
Ю.Н. Зеленов
А.Н. Сорокин
С.П. Дровосеков
И.В. Попов
Original Assignee
Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики filed Critical Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики
Priority to SU5061820 priority Critical patent/RU2022394C1/en
Priority to PCT/RU1993/000212 priority patent/WO1994007256A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2022394C1 publication Critical patent/RU2022394C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
    • H01J35/108—Substrates for and bonding of emissive target, e.g. composite structures

Abstract

FIELD: X-ray engineering. SUBSTANCE: anode has a disk made of heavy metal or alloy with blind spots. The disk is provided with thin-wall annular central bushing, which is embraced with graphite substrate. There are through holes in the substrate. Any hole is disposed in opposite to corresponding blind hole in the disk. Thin-wall sleeves are soldered into the through holes. Value of depth of the bottoms of the sleeves into the body of the disk is larger than thickness of bottom of the sleeve. The sleeves are made of material which has thermal expansion coefficient being close to thermal expansion coefficient of material from which the disk is made. EFFECT: improved efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

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. The invention relates to technical physics and is aimed at further improving the most critical node of the x-ray apparatus - the x-ray tube, and can be used in the manufacture of combined anodes of powerful x-ray tubes with a rotating anode, used, for example, in x-ray diagnostic devices.

В настоящее время в рентгеновских трубках находят широкое применение комбинированные мишени, состоящие из молибденового и графитового дисков, соединенных между собой. At present, combined targets consisting of molybdenum and graphite disks interconnected are widely used in X-ray tubes.

Соединение молибдена с графитом в таких конструкциях осуществляется пайкой с применением припоев на основе циркония, титана, гафния и др. Ввиду различия коэффициентов термического расширения молибдена и графита, а также других физико-механических характеристик этих материалов паяные соединения между ними имеют остаточные напряжения, которые могут привести к разрушению комбинированной мишени при нагревах и охлаждениях в процессе эксплуатации. The connection of molybdenum with graphite in such structures is carried out by soldering using solders based on zirconium, titanium, hafnium, etc. Due to the difference in the thermal expansion coefficients of molybdenum and graphite, as well as other physical and mechanical characteristics of these materials, soldered joints between them have residual stresses that can lead to the destruction of the combined target during heating and cooling during operation.

Известна конструкция вращающегося анода рентгеновской трубки, содержащая графитовую подложку с нанесенным на нее по крайней мере одним слоем из тугоплавкого металла или сплава [1]. Углубления в графитовой подложке выполнены в виде распределенной по поверхности подложки системы глухих отверстий, причем расстояние между соседними отверстиями - не более ширины фокусной дорожки, и заполнены материалом наносимого слоя. A known design of a rotating anode of an x-ray tube containing a graphite substrate with at least one layer of refractory metal or alloy deposited on it [1]. The recesses in the graphite substrate are made in the form of a system of blind holes distributed over the surface of the substrate, the distance between adjacent holes being no more than the width of the focal track and filled with the material of the applied layer.

Данная конструкция позволяет повысить качество закрепления тугоплавкого слоя на графитовой подложке, однако не обеспечивает интенсивного отвода тепла и балансировку анода. This design allows to improve the quality of fixing the refractory layer on a graphite substrate, but does not provide intensive heat dissipation and balancing of the anode.

Извеcтна конcтрукция вращающего анода, cодержащего диcк из тяжелого металла c центральным отверcтием, в центральном отверcтии раcположена втулка, выполненная заодно c диcком [2]. Графитовая деталь охватывает втулку. В процеccе пайки графитовой детали к диcку втулка и кольцевой выcтуп по наружному диаметру диcка cоздают ванночку для раcплавленного припоя и предотвращают вытекание его из зоны пайки. The construction of a rotating anode containing a disk made of heavy metal with a central hole is known; a sleeve made at the same time with a disk is located in the central hole [2]. The graphite part covers the sleeve. In the process of soldering a graphite part to a disk, the sleeve and an annular protrusion along the outer diameter of the disk create a bath for the molten solder and prevent it from flowing out of the soldering zone.

Наиболее близкой к предложенной конструкции является конструкция анода, который содержит металлическую пластину из тяжелого металла, графитовую подложку, прилегающую к стороне металлической пластины. В графитовой подложке выполнены сквозные отверстия, оканчивающиеся глухими отверстиями в металлической пластине. Closest to the proposed design is the design of the anode, which contains a metal plate of heavy metal, a graphite substrate adjacent to the side of the metal plate. Through holes are made in the graphite substrate, ending with blind holes in the metal plate.

Отверстия выполнены для улучшения балансировки вращающегося анода. Однако температура излучающей поверхности графита ниже температуры металлической детали (из-за его низкой теплопроводности), это ограничивает возможность повышения излучающей способности от графитовой детали и приводит к перегреву тугоплавкой детали и снижению надежности всего анода. Кроме того, термические напряжения в паяном шве, возникающие из-за разности в коэффициентах теплового расширения (КТР) соединяемых материалов, существенно снижают запас прочности, а недостаточная эффективность охлаждения анода и низкая прочность паяного шва, снижают надежность работы всей конструкции. The holes are made to improve the balancing of the rotating anode. However, the temperature of the radiating surface of graphite is lower than the temperature of the metal part (due to its low thermal conductivity), this limits the possibility of increasing the emissivity from the graphite part and leads to overheating of the refractory part and a decrease in the reliability of the entire anode. In addition, thermal stresses in the brazed joint, arising due to the difference in the coefficients of thermal expansion (KTR) of the materials being joined, significantly reduce the safety margin, and the insufficient cooling efficiency of the anode and the low strength of the brazed joint reduce the reliability of the entire structure.

Целью изобретения является повышение надежности анода путем увеличения интенсивности отвода тепла и повышения прочности паяного соединения. The aim of the invention is to increase the reliability of the anode by increasing the intensity of heat dissipation and increasing the strength of the solder joint.

Это достигается тем, что во вращающемся аноде рентгеновской трубки, содержащем диск из тяжелого металла или сплава, соединенного с графитовой подложкой пайкой, в графитовой подложке выполнены сквозные отверстия, продолжающиеся в диске, диск имеет тонкостенный кольцевой выступ, охватываемый графитом, в отверстия графитовой подложки впаяны металлические гильзы, величина заглубления которых в тело диска больше толщины дна гильзы, внутренний диаметр гильзы выбирают из соотношения:
l > 8d, где l - глубина гильзы;
d - внутренний диаметр гильзы. Поставленная цель достигается благодаря тому, что увеличена протяженность паяного шва, так как поверхность гильз припаяна к графитовой подложке; обеспечивается чередование пайки между однородными металлургическими совместимыми материалами: металл-металл (дно гильзы к диску) и разнородными - металл-графит (гильза к подложке и подложка к гильзе). Гильзы, имея значительную глубину при малом диаметре отверстия, выполняют роль абсолютно черного тела и увеличивают излучающую способность (которая пропорциональна температуре в четвертой степени). Гильзы при этом увеличивают поверхность графита, контактирующую с металлом, имеющим высокую теплопроводность, что улучшает отвод тепла от графита.This is achieved by the fact that in the rotating anode of the x-ray tube containing a disk of heavy metal or alloy connected to the graphite substrate by soldering, through holes are made in the graphite substrate, continuing through the disk, the disk has a thin-walled annular protrusion covered by graphite, soldered into the holes of the graphite substrate metal sleeves, the depth of which in the body of the disk is greater than the thickness of the bottom of the sleeve, the inner diameter of the sleeve is selected from the ratio:
l> 8d, where l is the depth of the sleeve;
d is the inner diameter of the sleeve. This goal is achieved due to the fact that the length of the soldered seam is increased, since the surface of the liners is soldered to a graphite substrate; alternating soldering between homogeneous metallurgical compatible materials: metal-metal (bottom of the sleeve to the disk) and heterogeneous - metal-graphite (sleeve to the substrate and the substrate to the sleeve) is ensured. Sleeves, having considerable depth with a small diameter of the hole, play the role of a completely black body and increase the emissivity (which is proportional to the temperature to the fourth degree). The sleeves at the same time increase the surface of graphite in contact with a metal having high thermal conductivity, which improves the heat removal from graphite.

Все это способствует снижению температуры анода, исключает его перегрев в процессе эксплуатации и повышает надежность его в работе. All this helps to reduce the temperature of the anode, eliminates its overheating during operation and increases its reliability in operation.

На фиг.1 изображен предложенный анод до пайки, общий вид; на фиг.2 - то же, после пайки. Figure 1 shows the proposed anode before soldering, General view; figure 2 is the same after soldering.

Вращающийся анод рентгеновской трубки содержит диск 1 из тяжелого металла. На поверхности диска 1 у центрального отверстия 2 закреплен кольцевой выступ в виде тонкостенной втулки 3. Графитовая подложка 4 охватывает втулку 3 и установлена на торцевой поверхности диска 1 так, что сквозные отверстия 5, выполненные в подложке 4, являются продолжением глухих отверстий 6 в диске 1. Отверстия 5 и 6 расположены симметрично оси анода, что позволяет обеспечить балансировку анода при его вращении. В отверстиях 5 и 6 установлены тонкостенные гильзы 7 так, что заглубленность гильз в диске 1 больше толщины дна 8 гильзы 7. На поверхность диска нанесен слой 9 вольфрам-рениевого сплава. Гильзы 7 выполнены из материала, КТР которого близок КТР материала диска 1, между диском 1 и графитовой подложкой 4 размещен припой 10. В процессе пайки создается паяный шов сложной конфигурации. Он формируется в месте контакта диска 1 с графитовой подложкой, охватывает наружную поверхность гильз по всей протяженности, а в донной части паяный шов соединяет гильзы и поверхность глухих отверстий в диске 1. The rotating anode of the X-ray tube contains a heavy metal disk 1. An annular protrusion in the form of a thin-walled sleeve 3 is fixed on the surface of the disk 1 near the central hole 2. A graphite substrate 4 covers the sleeve 3 and is mounted on the end surface of the disk 1 so that the through holes 5 made in the substrate 4 are a continuation of the blind holes 6 in the disk 1 Holes 5 and 6 are located symmetrically to the axis of the anode, which allows balancing of the anode during its rotation. Thin-walled sleeves 7 are installed in holes 5 and 6 so that the depth of the sleeves in the disk 1 is greater than the thickness of the bottom 8 of the sleeve 7. A layer 9 of tungsten-rhenium alloy is deposited on the surface of the disk. The sleeves 7 are made of a material whose KTP is close to the KTP of the material of the disk 1, a solder 10 is placed between the disk 1 and the graphite substrate 4. In the process of soldering, a soldered seam of complex configuration is created. It is formed at the contact point of the disk 1 with the graphite substrate, covers the outer surface of the sleeves along the entire length, and in the bottom part a soldered seam connects the sleeves and the surface of the blind holes in the disk 1.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При бомбардировке мишени - слоя 9 анод нагревается. Отвод тепла с диска 1 осуществляется с поверхности графитовой подложки 4, так как графит имеет высокую степень черноты, однако теплопроводность его невелика, поэтому температура излучающей поверхности графита ниже температуры диска 1, выполненного из металла. Гильзы, установленные в отверстиях графитовой подложки и припаянные к графиту, выполняют роль абсолютно черного тела. Экспериментально установлено, что размеры отверстия в гильзах обеспечивают работу отверстия как абсолютно черного тела, при выполнении условия l > 8d, где l - глубина отверстия в гильзе, d - внутренний диаметр гильзы. В процессе работы анода металлические стенки отверстия, работающего как абсолютно черное тело, повышают излучающую способность и, как следствие, увеличивают теплоотвод от графитовой детали и металлического диска. Увеличена также эффективность отвода тепла от металлического диска к графиту, так как увеличена поверхность контакта графита с металлом через поверхность металлических гильз. When bombarding a target, layer 9, the anode heats up. Heat is removed from the disk 1 from the surface of the graphite substrate 4, since graphite has a high degree of blackness, however, its thermal conductivity is low, therefore, the temperature of the radiating surface of graphite is lower than the temperature of the disk 1 made of metal. Sleeves installed in the holes of the graphite substrate and soldered to graphite play the role of a completely black body. It was experimentally established that the dimensions of the hole in the sleeves ensure that the hole works as a completely black body, under the condition l> 8d, where l is the depth of the hole in the sleeve, d is the inner diameter of the sleeve. During the operation of the anode, the metal walls of the hole working as a completely black body increase the emissivity and, as a result, increase the heat removal from the graphite part and the metal disk. The efficiency of heat removal from a metal disk to graphite is also increased, since the contact surface of graphite with metal through the surface of metal sleeves is increased.

При охлаждении после пайки из-за разности КТР материала подложки 4 и диска 1 в паяном шве возникают термические напряжения. Тонкостенные выступ и гильзы, являясь охватываемыми графитовой деталью, за счет своей деформационной способности релаксируют часть термических напряжений, возникающих в этой части паяного шва, уменьшают их уровень. Это делает более надежной работу анода, который в процессе эксплуатации испытывает многократные термические циклы "нагрев-охлаждение" в диапазоне температур 20-1500оС. Заглубление гильзы в тело диска осуществляют на величину, большую толщины дна гильзы. Это позволяет исключить контакт толстостенной донной части гильзы с графитовой подложкой и возникновение термических напряжений в этой части паяного шва, релаксировать которые не представится возможным. Заглубление позволяет осуществить паяный шов на уровне дна не с графитовой деталью, а с деталью металлического диска, КТР материала которой близок КТР материала гильзы, и напряжения в паяном шве в месте соединения этих материалов практически не возникают, так как соединение идет между однородными материалами.During cooling after soldering, thermal stresses occur in the brazed joint due to the difference in the CTE of the material of the substrate 4 and the disk 1. Thin-walled protrusion and sleeves, being covered by a graphite part, due to their deformation ability, relax part of the thermal stresses arising in this part of the soldered seam, reduce their level. This makes the operation of the anode more reliable, which during operation experiences multiple thermal cycles of "heating-cooling" in the temperature range of 20-1500 ° C. The deepening of the sleeve into the disk body is carried out by an amount greater than the thickness of the bottom of the sleeve. This makes it possible to exclude the contact of the thick-walled bottom part of the sleeve with the graphite substrate and the occurrence of thermal stresses in this part of the soldered seam, which would not be possible to relax. Deepening allows you to carry out a soldered seam at the bottom level not with a graphite part, but with a part of a metal disk, the KTP of the material of which is close to the KTP of the sleeve material, and there are practically no stresses in the soldered seam at the junction of these materials, since the connection is between homogeneous materials.

Напряжения, возникающие в плоскости, параллельной оси гильзы, снимаются за счет деформационной способности боковых стенок гильз, которые, являясь тонкостенными, релаксируют напряжения, возникающие в паяном шве. В плоскости, перпендикулярной оси, прочность конструкции на срез обеспечивается не только паяным швом, но и конструктивной прочностью гильз в плоскости паяного шва. Наличие отверстий в графите уменьшает протяженность паяных участков "графит-металл" и тем самым снижает величину максимальных термических напряжений в паяном шве. Stresses arising in a plane parallel to the axis of the liner are removed due to the deformation ability of the side walls of the liners, which, being thin-walled, relax stresses arising in a soldered seam. In the plane perpendicular to the axis, the shear strength of the structure is ensured not only by the soldered seam, but also by the structural strength of the sleeves in the plane of the soldered seam. The presence of holes in graphite reduces the length of the graphite-metal brazed sections and thereby reduces the maximum thermal stresses in the brazed joint.

При пайке молибденового диска к графитовой подложке при реализации конструкции анода-прототипа перепад температур между молибденом и графитом составил 560оС. При реализации предложенной конструкции, когда в отверстия графитовой подложки впаивали шесть молибденовых гильз внутренним диаметром 4 мм, глубиной 36 мм, толщиной стенки гильзы 0,5 мм, величина заглубления 4 мм при толщине дна гильзы 3 мм, перепад температур между молибденом и графитом составил ≈290оС.When brazing a molybdenum disc to the graphite substrate in the implementation of the prototype structure of the anode temperature difference between molybdenum and graphite was 560 C. In implementing the proposed structure, when the openings of a graphite substrate are soldered six molybdenum sleeves internal diameter of 4 mm, a depth of 36 mm, a thickness of the sleeve wall 0.5 mm, the depth of 4 mm with a thickness of the bottom of the sleeve 3 mm, the temperature difference between molybdenum and graphite was ≈290 о С.

При одной и той же мощности нагрева температура молибдена в конструкции прототипа 1490оС, а в предложенной конструкции - 1380оС. Снижение перегрева молибденовой детали приводит к тому, что устройство может работать на больших мощностях потока электронов либо при прежней мощности, но с большей надежностью.With the same heating power molybdenum prototype design temperature 1490 ° C, and in the proposed design - 1380 C. Reduction overheating molybdenum parts causes that the device can operate at high power electron flow or at the same power, but with a greater reliability.

Claims (2)

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, отличающийся тем, что диск снабжен тонкостенной кольцевой центральной втулкой, охватываемой графитовой подложкой, в сквозные отверстия подложки впаяны тонкостенные гильзы, величина заглубления дна которых в тело диска больше толщины дна гильзы, при этом гильзы выполнены из материала с коэффициентом теплового расширения, близким к коэффициенту теплового расширения материала диска. 1. ROTATING ANODE OF X-RAY TUBE, containing a disk of heavy metal or alloy with blind holes and a graphite substrate attached to it by soldering, in which through holes are made, each of which is opposite the corresponding blind hole in the disk, characterized in that the disk is provided with a thin-walled ring Thin-walled sleeves are soldered into the through holes of the substrate with the central sleeve covered by the graphite substrate, the depth of the bottom of which in the body of the disk is greater than the thickness of the bottom of the sleeve, the sleeves are made of material with a coefficient of thermal expansion close to the coefficient of thermal expansion of the material of the disk. 2. Анод по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр d гильзы выбран из соотношения l > 8d, где l - глубина гильзы. 2. The anode according to claim 1, characterized in that the inner diameter d of the sleeve is selected from the ratio l> 8d, where l is the depth of the sleeve.
SU5061820 1992-09-09 1992-09-09 Rotating anode of x-ray tube RU2022394C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5061820 RU2022394C1 (en) 1992-09-09 1992-09-09 Rotating anode of x-ray tube
PCT/RU1993/000212 WO1994007256A1 (en) 1992-09-09 1993-09-03 Rotating anode for x-ray tube

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5061820 RU2022394C1 (en) 1992-09-09 1992-09-09 Rotating anode of x-ray tube

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2022394C1 true RU2022394C1 (en) 1994-10-30

Family

ID=21613103

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5061820 RU2022394C1 (en) 1992-09-09 1992-09-09 Rotating anode of x-ray tube

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2022394C1 (en)
WO (1) WO1994007256A1 (en)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3013441C2 (en) * 1980-04-05 1984-12-13 Philips Patentverwaltung Gmbh, 2000 Hamburg Anode plate for a rotating anode X-ray tube and process for its manufacture
DE3047134A1 (en) * 1980-12-15 1982-06-24 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München X-RAY TUBE TURNING ANODE AND METHOD FOR BALANCING IT
SU1123068A1 (en) * 1983-03-11 1984-11-07 Организация П/Я Х-5263 Rotating anode for x-ray tube

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Авторское свидетельство СССР N 1123068, кл. H 01J 35/10, 1984. *
2. Заявка ФРГ N 3013441, кл. H 01J 35/04, 1984. *
3. Заявка ФРГ N 3047134, кл. H 01J 35/10, 1982. *

Also Published As

Publication number Publication date
WO1994007256A1 (en) 1994-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2599836B2 (en) X-ray tube target
US4455504A (en) Liquid cooled anode x-ray tubes
US4276493A (en) Attachment means for a graphite x-ray tube target
EP0075014A1 (en) Apparatus having a liquid cooled anode.
CA1131685A (en) Rotating anode x-ray tube with improved thermal capacity
EP1316103B1 (en) Large surface area x-ray tube shield structure
US3959685A (en) Heat sink target
EA003035B1 (en) Method for plugging a hole and a cooling element manufactured by said method
RU2022394C1 (en) Rotating anode of x-ray tube
US5652778A (en) Cooling X-ray tube
JP2766896B2 (en) Rotor structure of X-ray tube
US5655000A (en) Target/rotor connection for use in x-ray tubes
JP2810135B2 (en) Brazing joint for rotor structure
DE69301101D1 (en) Soldered X-ray tube anode manufacturing process
US6282262B1 (en) X-ray tube and method of manufacture
JPS60185089A (en) Direct current arc furnace
USRE31560E (en) Graphite disc assembly for a rotating x-ray anode tube
US4358707A (en) Insulated collector assembly for power electronic tubes and a tube comprising such a collector
US2909686A (en) X-ray tube
KR20020001893A (en) Method for the manufacture of a composite cooling element for the melt zone of a metallurgical reactor and a composite cooling element manufactured by said method
US3760213A (en) Anode for a discharge tube
US3165658A (en) Directly-cooled x-ray tube anode
RU2117358C1 (en) X-ray tube revolving anode
USRE31369E (en) Method for joining an anode target comprising tungsten to a graphite substrate
US3368018A (en) Electrode and electrode tip for use therein