RU2079180C1

RU2079180C1 - Rotating anode of x-ray tube

Info

Publication number: RU2079180C1
Application number: RU95104204A
Authority: RU
Inventors: В.А. Горновой; А.Н. Сорокин
Original assignee: Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1995-03-24
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 1997-05-10
Also published as: RU95104204A

Abstract

FIELD: X-ray devices for medical diagnostics. SUBSTANCE: anode has disk which is made from heavy metal and is connected to graphite substrate which has through holes in which thin-wall cases are soldered. Balancing members are designed as cones and are mounted in plane of cases so that cone vertex is directed towards open end of case. EFFECT: increased service life and increased reliability. 7 cl, 2 dwg

Description

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. The invention relates to technical physics, and more specifically to the design of the critical node of the x-ray tube-anode and can find application in powerful x-ray tubes with a rotating anode, used, for example, in x-ray tomographs.

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. A known design of a rotating anode, in which through holes are made in the graphite disk of the anode for installing metal balancing elements in the form of cylinders. Cylinders and discs are connected by a nut. This design is protected by the patent of Germany N 2646454, class. H 01 J 35/10, 1976

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. The disadvantage of the design described above is that the soldered seam between the metal and graphite disks with holes can be destroyed when exposed to thermocyclic loads that occur during operation of the anode. In addition, heat removal through the metal balancing elements is less effective than from the graphite surface, due to the low blackness coefficient, which significantly impairs the thermal regime of the anode.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является конструкция анода, защищенная патентом России, заявка N 5061820, которая выбрана в качестве прототипа. Closest to the technical nature of the proposed is the design of the anode, protected by a patent of Russia, application N 5061820, which is selected as a prototype.

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. The anode contains 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 located opposite the corresponding blind hole in the disk. Thin-walled sleeves are soldered into the through holes of the substrate, the depth of the bottom of which into the disk body is greater than the thickness of the bottom of the sleeve. The sleeves are made of metal with a coefficient of thermal expansion (CTE) close to the CTE of the disk material. The balancing element is the rim of the disc. Balancing is carried out by removing metal along the diameter of the disk.

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. A disadvantage of the described construction is that there are technological difficulties in its manufacture, namely, it is technologically difficult to manufacture thin-walled shells of small diameter from molybdenum. In addition, the balancing of the anode requires the creation of an additional layer of metal in the form of a rim. The presence of a rim leads to an increase in the weight of the entire anode, an increase in the load on the shaft of the x-ray tube.

Настоящее изобретение решает задачу создания более технологической конструкции анода с одновременным обеспечением благоприятных условий для балансировки. The present invention solves the problem of creating a more technological design of the anode while ensuring favorable conditions for balancing.

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.The problem is solved due to the fact that in the rotating anode of the 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 holes are made, each of which is located opposite the corresponding blind hole in the disk, balancing elements thin-walled sleeves soldered into the through holes of the substrate, the depth of the bottom of which into the disk body is greater than the thickness of the bottom of the sleeve, and the sleeves are made of material with a thermal coefficient According to the invention, balancing elements are made in the form of cones fixed in the cavity of each sleeve so that the apex of the cone is directed towards the open end of the sleeve. In this case, the fastening was carried out along a cylindrical girdle, the angle of inclination of the generatrix of the conical surface to the axis was chosen no more than 10 ^° , the cone was mounted in the sleeve by thread, along the generatrix of the cylindrical girdle grooves were made, balancing elements made of titanium, the material of the balancing elements has a porous structure.

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.The ability to solve this problem is due to the fact that the anode balancing method has been changed. The shape of the balancing elements and the place of their placement provide radiation in the zone of the sleeves at the level of a completely black body at such aspect ratios of the sleeves that the question of the manufacturability of the sleeves is excluded. At the same time, the dimensions of the sleeves were changed so that the level of contact stresses in the brazed joint “metal of the sleeve graphite” did not increase. Changing the weight of the balancing elements during balancing is supposed to be taken from the end of the material, which is not difficult. The connection of the balancing elements collapsible (by thread) allows you to select the material repeatedly. The choice of the angle of inclination of not more than 10 ^o allows the formed cavity to radiate as much as possible, and the grooves in the balancing elements contribute to faster and better evacuation in preparing the tube for operation. Due to the presence of balancing elements in titanium used as a material, the properties of the getter ensure the required vacuum level during the operation of the tube, and the implementation of the barrier element with a developed (porous) surface increases the efficiency of the getter.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна". The presence of distinctive features from the prototype features allows us to conclude that the invention meets the criterion of "novelty."

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". In the search process, no technical solutions were found containing features similar to the distinguishing features of the proposed solution, which allows us to conclude that the proposed solution meets the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 приведен общий вид анода в разрезе; на фиг. 2 балансировочный элемент. In FIG. 1 shows a General view of the anode in section; in FIG. 2 balancing element.

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. The rotating anode contains a disk 1, made of heavy metal, on the surface 2 of which an annular track 3 is made to receive x-ray radiation. The graphite substrate 4 is located at the bottom end of the disk 1 and is connected to it by soldering. Blind holes 1 are made in the disk 1. The substrate 4 has through holes 6, which, when the disk 1 and the substrate 4 are connected, are a continuation of the holes 5. The metal sleeves 7 are soldered into the holes 5 and 6 so that the depth of the bottom part 8 of the sleeves 7 into the hole 5 more than the thickness of the bottom 8. The balancing elements 9 in the form of cones are installed in the cavity of the sleeves 7, for example, using a thread made on the cylindrical belts 10 of the cones 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.The angle of inclination of the conical surface of the balancing element to the axis is made equal to not more than 10 ^o . Each balancing element 9 is installed so that the top of the cone is directed towards the open end of the sleeve 7. Between the inner wall 11 of the sleeve 7 and the side surface of the cone 9 an annular cavity 12 is formed, expanding towards the open end of the sleeve 7.

Пазы 13 выполнены на боковой поверхности цилиндрической части конусов 9. Конусы 9 выполнены из титана или пористого титана. The grooves 13 are made on the lateral surface of the cylindrical part of the cones 9. The cones 9 are made of titanium or porous titanium.

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. In the manufacture of the anode, the disk 1 of the graphite substrate 4, the sleeves 7 are assembled and connected together by soldering. The balancing elements 96 with the help of the thread 14 are screwed into the sleeves 7 until they stop in its bottom part. The manufactured anode is mounted on a test bench, rotated at a speed equal to its rotation speed during operation, and determine how much metal in which place the anode needs to be removed. The desired balancing element is turned out, a cavity 15 is drilled in the bottom part, the value of which corresponds to how much metal in this place needs to be removed. The size of the cavity 15 in each of the balancing elements 9 may be different, and in some of them the cavity may not be. This design allows balancing not only by sampling the material of the cone, but also by the place of its installation, i.e. moving the balancing element 9 along the thread, setting the cone more deeply in the cavity of the sleeves 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. Ready for operation, the anode is mounted on the shaft of the x-ray tube, the tube body is evacuated. The flow of electrons is directed to track 3 to obtain x-ray radiation. During the bombardment of the target layer 3, the anode is heated. Heat is removed from the disk 1 mainly from the surface of the graphite substrate 4, because graphite has a high degree of blackness. Sleeves 7 installed in the holes of the graphite substrate 4, contribute to better heat dissipation to the outer layers of graphite. Balancing elements 9 through contact with metal sleeves 78 also contribute to heat dissipation. The annular cavity 12 increases the intensity of heat dissipation, because cavity parameters provide it with radiation at the level of a completely black body.

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. When the anode is cooled after soldering (during manufacture), or after the voltage is turned off during the operation of the anode, thermal stresses arise in the brazed joint due to the difference in thermal expansion coefficients (KTP) of the substrate material 4 and the disk 1. The ratio of the diameter and wall thickness of the sleeves 7 were increased proportionally so that the magnitude of the stresses remained at the same minimum level.

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. During assembly, parts are cleaned, but during operation, gas is released from the materials of the parts. It is almost impossible to prevent gas evolution from materials such as graphite. Gas evolution degrades the vacuum and thereby reduces the reliability of the tube. The balancing elements 9 made of titanium work as getters, linking the released gaseous products and thereby increase the reliability of the tube as a whole.

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.At the institute, in the process of testing the proposed design, an anode prototype was made containing a molybdenum disk, a graphite substrate with holes with a diameter of 16 mm. Molybdenum sleeves were soldered into the hole with a diameter of 16 mm, a wall thickness of 1 mm, and a length of 50 mm. Threads were made on the inner walls of the sleeves, balancing elements made of titanium in the form of a cone with an angle of inclination of the generatrix of the conical surface equal to 10 ^° , a cylindrical girdle at the base with a height of 5 mm, on which the thread was made, was screwed into the holes of the sleeves.

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.Control experiments on the heat sink showed that at the same heating temperature the initial cooling rate for the prototype was 11 ^o / s, and for the developed design 14 ^o / s.

Claims

1. The rotating anode of the 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, balancing elements, thin-walled sleeves soldered into through holes of substrates, the depth of the bottom of which into the disc body is greater than the thickness of the bottom of the sleeve, while the sleeve is made of a material with a thermal expansion coefficient close to the coefficient thermal expansion coefficient of the disk material, characterized in that the balancing elements are made in the form of cones fixed in the cavity of each sleeve so that the top of the cone is directed towards the open end of the sleeve.

2. The anode according to claim 1, characterized in that the fixing of the balancing elements is carried out along a cylindrical belt at the base of the cone.

3. The anode according to claim 1, characterized in that the angle of inclination of the generatrix of the conical surface of the balancing element to the axis is selected no more than 10 ^o .

4. The anode according to claim 1, characterized in that the cone is mounted in the sleeve using a thread.

5. The anode according to claim 1, characterized in that grooves are made along the generatrix of the cylindrical girdle.

6. The anode according to claim 1, characterized in that the balancing cones are made of titanium.

7. The anode according to claim 6, characterized in that the material of the balancing element has a porous structure.