RU2079179C1

RU2079179C1 - Rotating anode of x-ray tube

Info

Publication number: RU2079179C1
Application number: RU95103025A
Authority: RU
Inventors: Михаил Львович Таубин; Евгений Егорович Коноплев
Original assignee: Михаил Львович Таубин; Евгений Егорович Коноплев
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1995-03-03
Publication date: 1997-05-10
Also published as: RU95103025A

Abstract

FIELD: X-ray devices for medical diagnostics. SUBSTANCE: hyperbolic recess is made in center of substrate, Its depth is in range of 0.3-0.7 of substrate depth and diameter is in range of 0.2-0.5 of substrate diameter. This results in possibility to provide uniform heating of graphite substrate and decreased level of extending strain. EFFECT: increased service life and increased reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно к вращающимся анодам рентгеновских трубок большой мощности, применяемых в медицинской диагностике. The invention relates to x-ray technology, and more particularly to rotating anodes of high-power x-ray tubes used in medical diagnostics.

Как правило, в таких трубках используются вращающиеся аноды, содержащие подложку из материала с высокой теплопроводностью и однослойную или многослойную мишень из тугоплавкого материала. В качестве материала подложки наиболее частот используют графит, а в качестве материала мишени вольфрам или его сплав. Typically, such tubes use rotating anodes containing a substrate of a material with high thermal conductivity and a single or multi-layer target of refractory material. Graphite is used as the substrate material of the most frequencies, and tungsten or its alloy is used as the target material.

Известен вращающийся анод рентгеновской трубки, содержащий графитовую подложку с нанесенной на ее поверхность мишенью из тугоплавкого материала. Для улучшения условий теплоотвода и уменьшения внутренних напряжений в графитовой подложке выполнены две концентрические кольцевые канавки, пересекающие слой из тугоплавкого материала (см. пат Великобритании N 1494444, заявл. 20.01.75, опубл. 07.12.77, МКИ H 01 J 35/10, НКИ HID). A rotating anode of an X-ray tube is known, containing a graphite substrate with a target made of refractory material deposited on its surface. To improve the conditions of heat removal and reduce internal stresses in the graphite substrate, two concentric annular grooves are made intersecting a layer of refractory material (see U. S. Patent No. 1494444, decl. 20.01.75, publ. 07.12.77, MKI H 01 J 35/10, NKI HID).

Недостатком такого анода является то, что при достаточно больших мощностях (до 100 кВт) в результате неравномерности нагрева в центральной части графитовой подложки возникают растягивающие напряжения, превышающие предел прочности графита, которые могут приводить в разрушению подложки. The disadvantage of such an anode is that at sufficiently high powers (up to 100 kW), as a result of uneven heating in the central part of the graphite substrate, tensile stresses arise that exceed the tensile strength of graphite, which can lead to destruction of the substrate.

Известен вращающийся анод рентгеновской трубки, содержащий графитовую подложку и мишень из тугоплавкого материала или сплава, при этом в графитовой подложке выполнены углубления в виде распределенной по ее поверхности системы глухих отверстий, заполненных материалом мишени (см. авт. свид. СССР N 1123068, заявл. 11.03.83, опубл. 07.11.84, МКИ H 01 J 35/10). A rotating anode of an X-ray tube is known that contains a graphite substrate and a target of a refractory material or alloy, while in the graphite substrate, recesses are made in the form of a system of blind holes distributed over its surface filled with target material (see ed. Certificate of the USSR N 1123068, decl. 11.03.83, published 07.11.84, MKI H 01 J 35/10).

Однако данная конструкция анода достаточно сложна в изготовлении и ей присущ тот же недостаток, что и для предыдущего технического решения; высокий уровень растягивающих напряжений в центральной части подложки, возникающий из-за неравномерности ее нагрева, что в конечном итоге отрицательно сказывается на сроке службы анода и его надежности. However, this anode design is quite complicated to manufacture and it has the same drawback as for the previous technical solution; a high level of tensile stresses in the central part of the substrate, arising due to the unevenness of its heating, which ultimately affects the life of the anode and its reliability.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по технической сущности прототипом, является вращающийся анод рентгеновской трубки, содержащий графитовую подложку и мишень из слоя вольфрама или композиционного слоя, состоящего из слоя вольфрама и слоя молибдена, причем для уменьшения термических напряжений в аноде выполнены радиальные прорези шириной 0,5-3 мм (см. пат. США N 4531227, заявл. 23.09.82, опубл. 23.07.85, МКИ H 01 J 35/10, НКИ 378-144). The closest technical solution to the invention according to the technical essence of the prototype is a rotating anode of an X-ray tube containing a graphite substrate and a target of a tungsten layer or a composite layer consisting of a tungsten layer and a molybdenum layer, and to reduce thermal stresses in the anode, radial slots are made with a width of 0, 5-3 mm (see US Pat. Nos. 4,531,227, claimed 23.09.82, published 23.07.85, MKI H 01 J 35/10, NCI 378-144).

Однако известная конструкция все же не позволяет в достаточной мере избавиться от напряжений, возникающих из-за неравномерности нагрева подложки. Кроме того, при такой конструкции происходит потеря мощности рентгеновской трубки пропорционально площадки прорезей в аноде, а также данная конструкция сложна в технологическом исполнении. However, the known design still does not allow to sufficiently get rid of the stresses arising from the uneven heating of the substrate. In addition, with such a design, the power of the X-ray tube is proportional to the area of the slots in the anode, and this design is also difficult to manufacture.

Целью настоящего изобретения является увеличение срока службы и повышение надежности вращающегося анода высокомощной рентгеновской трубки за счет обеспечения равномерности нагрева подложки и снижения в ней уровня растягивающих напряжений. The aim of the present invention is to increase the service life and increase the reliability of the rotating anode of a high-power x-ray tube by ensuring uniform heating of the substrate and reducing the level of tensile stresses in it.

Поставленная цель достигается тем, что во вращающемся аноде рентгеновской трубки, включающем графитовую подложку с тугоплавким покрытием, в центре подложки выполнено углубление гиперболической формы, глубина которого составляет 0,3-0,7 толщины подложки, а диаметр 0,2-0,5 диаметра подложки. This goal is achieved by the fact that in the rotating anode of the x-ray tube, including a graphite substrate with a refractory coating, in the center of the substrate there is a recess of hyperbolic shape, the depth of which is 0.3-0.7 thickness of the substrate, and the diameter is 0.2-0.5 diameter the substrate.

Предлагаемое техническое решение отличается от известного геометрией графитовой подложки. The proposed solution differs from the known geometry of the graphite substrate.

Как уже упоминалось, в результате неравномерности нагрева, в центральной части графитовой подложки возникают растягивающие напряжения, которые могут приводить к ее разрушению. Выполнение углубления гиперболической формы в центральной части анода обеспечивает более равномерный нагрев подложки, кроме того, такая форма углубления позволяет снижать термические напряжения в центральной части подложки. As already mentioned, as a result of uneven heating, tensile stresses arise in the central part of the graphite substrate, which can lead to its destruction. The implementation of the deepening of the hyperbolic shape in the Central part of the anode provides a more uniform heating of the substrate, in addition, this shape of the recess can reduce thermal stresses in the Central part of the substrate.

Расчетно-экспериментальные оценки, полученные при изготовлении графитовой подложки с углублением в центральной части показали, что углубление необходимо выполнять глубиной 0,3-0,7 от толщины подложки и диаметром 0,2-0,5 от диаметра подложки. The calculated and experimental estimates obtained in the manufacture of a graphite substrate with a recess in the central part showed that the recess must be performed with a depth of 0.3-0.7 of the thickness of the substrate and a diameter of 0.2-0.5 of the diameter of the substrate.

Выход за нижние границы указанных диапазонов не позволяет существенно снизить уровень растягивающих напряжений, а выход за верхние пределы указанных значений в первом случае отрицательно сказывается на механической прочности конструкции, а во втором ухудшает теплоотвод с рабочей поверхности анода. Going beyond the lower boundaries of these ranges does not significantly reduce the level of tensile stresses, and going beyond the upper limits of these values in the first case adversely affects the mechanical strength of the structure, and in the second it affects the heat removal from the working surface of the anode.

На чертеже показан предлагаемый вращающийся анод рентгеновской трубки. Он содержит графитовую подложку 1, на которую нанесен слой 2 из тугоплавкого материала (например, вольфрама). В центральной части графитовой подложки выполнено углубление гиперболической формы 3 и центральное отверстие 4 для вала ротора. The drawing shows the proposed rotating anode of an x-ray tube. It contains a graphite substrate 1, on which a layer 2 of refractory material (for example, tungsten) is applied. In the central part of the graphite substrate, a recess of hyperbolic form 3 and a central hole 4 for the rotor shaft are made.

Анод изготавливают следующим образом. The anode is made as follows.

В графитовой подложке 1, диаметр которой составляет 120 мм, толщина центральной части 46 мм, а угол конусности рабочей поверхности -12, механическим образом выполняют углубление 3 диаметром 60 мм и глубиной 27,5 мм. При этом диаметр центрального отверстия 4 для вала ротора составляет 10 мм. После чего на рабочую поверхность анода наносят (например, из парогазовой фазы) слой вольфрамового покрытия 2 толщиной 1,5 мм. Как показали расчетно-экспериментальные исследования, в процессе эксплуатации анода импульсными потоками тепла интенсивностью 90 кВт, действующими 3 мс с периодом 10 мс в течение 6 с, время перерыва между сериями 12 с, конструкция сохраняла работоспособность в течение 250 с. При этом уровень растягивающих напряжений в центральной части графитовой подложки не превосходил 131 МПа. В то время как при работе анода стандартного исполнения (подложка без углублений с нанесенным слоем вольфрама) растягивающие напряжения в графите достигали 270 МПа, что приводило к возникновению трещин в центральной части подложки. In a graphite substrate 1, the diameter of which is 120 mm, the thickness of the central part is 46 mm, and the taper angle of the working surface is -12, a recess 3 is mechanically performed with a diameter of 60 mm and a depth of 27.5 mm. The diameter of the Central hole 4 for the rotor shaft is 10 mm Then, a layer of tungsten coating 2 with a thickness of 1.5 mm is applied (for example, from the vapor-gas phase) to the working surface of the anode. As shown by computational and experimental studies, during operation of the anode by pulsed heat fluxes with an intensity of 90 kW, operating for 3 ms with a period of 10 ms for 6 s, the break time between series was 12 s, the design remained operational for 250 s. In this case, the level of tensile stresses in the central part of the graphite substrate did not exceed 131 MPa. At the same time, during operation of the standard execution anode (a substrate without depressions with a tungsten layer deposited), tensile stresses in graphite reached 270 MPa, which led to the appearance of cracks in the central part of the substrate.

Предлагаемая конструкция достаточно проста в технологическом исполнении и обеспечивает в сравнении с прототипом повышенную эксплуатационную надежность и работоспособность. Достигаемое при этом более чем 2-х кратное снижение рабочих напряжений позволяет использовать анод в томографах повышенной мощности (100 кВт и выше). The proposed design is quite simple in technological design and provides, in comparison with the prototype, increased operational reliability and availability. Achieved by this more than 2-fold reduction in operating voltage allows the use of the anode in tomographs with high power (100 kW and above).

Claims

A rotating anode of an X-ray tube, comprising a graphite substrate with a refractory coating, characterized in that a hyperbolic depression is made in the center of the substrate, the depth of which is 0.3 0.7 of the thickness of the substrate and the diameter of 0.2 0.5 of the diameter of the substrate.