RU2091900C1

RU2091900C1 - Rotating-anode x-ray tube

Info

Publication number: RU2091900C1
Application number: RU93026401A
Authority: RU
Inventors: А.Я. Коваленко; В.И. Смирнов; К.А. Андрианов
Original assignee: Научно-производственное объединение автоматики и приборостроения
Priority date: 1993-05-26
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1997-09-27

Abstract

FIELD: medical engineering; general-purpose high-power X-ray diagnostic tubes. SUBSTANCE: X-ray tube has vacuum chamber accommodating cathode and rotating anode supported by cylindrical sliding mount with working clearance lubricated with mixture of gallium-base low-melting metals; annular groove is made on cylindrical working surface communicating through ducts with lubricant space beyond working clearance; shaped spiral grooves are made on both sides of annular groove each forming two lines of opposing noncommunicating grooves; one line of spiral grooves has outlet to annular groove space, other line has outlet to end of mount; spiral grooves are made on end surfaces of cylinder and communicate with central axial hole. EFFECT: enlarged functional capabilities. 2 cl, 2 dwg

Description

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. The invention relates to medical diagnostics, in particular to x-ray tubes of a ceramic-metal construction with a rotating anode on a hydrodynamic support with spiral grooves, and can be used for wide-area x-ray diagnostic devices with high power radiation.

Известна рентгеновская трубка с вращающимся анодом [1] установленным на опоре скольжения с жидкой металлической смазкой на основе галлия (Ga). Опора вращающегося анода представляет собой два подшипника скольжения сферический и конический с шевронными профильными канавками на рабочих поверхностях. Недостатком этой конструкции является малая надежность за счет низкой жесткости сферического подшипника и возможности заклинивания конического подшипника, что усложнило конструкцию трубки и потребовало введения дополнительного подшипника качения и компенсационного пружинного элемента. Known x-ray tube with a rotating anode [1] mounted on a sliding support with a liquid metal lubricant based on gallium (Ga). The support of the rotating anode consists of two spherical and conical sliding bearings with chevron profile grooves on the working surfaces. The disadvantage of this design is the low reliability due to the low stiffness of the spherical bearing and the possibility of jamming of the conical bearing, which complicated the design of the tube and required the introduction of an additional rolling bearing and a compensation spring element.

Известна также рентгеновская трубка с вращающимся анодом [2] поддерживающейся опорой скольжения цилиндрического типа со спиральными канавками с металлической смазкой рабочего зазора на основе галлия, висмута, индия (Ga, Bi, In). Известная самоподдерживающаяся цилиндрическая опора скольжения со спиральными канавками позволяет, как указано в описании патента, нести только симметричную нагрузку, что вызывает дополнительные трудности в изготовлении и эксплуатации изделия. Кроме того, указанная конструкция критична по угловой жесткости, что накладывает определенные ограничения в эксплуатации рентгеновской трубки при проведении медицинских исследований. Also known is an X-ray tube with a rotating anode [2] supported by a cylindrical-type sliding bearing with spiral grooves with metal lubrication of the working gap based on gallium, bismuth, indium (Ga, Bi, In). The well-known self-supporting cylindrical slide bearing with spiral grooves allows, as indicated in the patent description, to bear only a symmetrical load, which causes additional difficulties in the manufacture and operation of the product. In addition, this design is critical for angular stiffness, which imposes certain restrictions on the operation of the x-ray tube during medical research.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому изобретению является конструкция рентгеновской трубки с вращающимся анодом [3] содержащая металлическую вакуумную камеру, в которой расположены катод и вращающийся анод, поддерживающийся цилиндрической опорой скольжения со смазкой рабочего зазора сплавом жидких металлов галлия, индия, олова (Ga, In, Sn) и профилированной спиральными канавками. Опора скольжения представляет собой самоподдерживающуюся опору скольжения цилиндрического типа с одним подпятником. На рабочих поверхностях опоры цилиндрической и двух плоских подпятника, выполнены шевронные канавки, причем цилиндрическая поверхность разделена выемкой на два пояса шевронных канавок, что делит ее на два радиальных подшипника, а развязка осевого и радиального подшипников в опоре происходит фаской у основания цилиндрической поверхности. При этом в подпятнике выполнен канал для подпитки радиальных подшипников смазкой. The closest in technical essence and the achieved positive effect to the claimed invention is the design of an x-ray tube with a rotating anode [3] containing a metal vacuum chamber in which a cathode and a rotating anode are located, supported by a cylindrical sliding support with lubrication of the working gap by an alloy of liquid metals gallium, indium, tin (Ga, In, Sn) and profiled spiral grooves. The sliding bearing is a self-supporting cylindrical sliding bearing with one thrust bearing. Chevron grooves are made on the working surfaces of the support of a cylindrical and two flat thrust bearings, and the cylindrical surface is divided by a recess into two belts of chevron grooves, which divides it into two radial bearings, and the axial and radial bearings in the bearing are decoupled at the base of the cylindrical surface. At the same time, a channel is made in the thrust bearing for lubricating the radial bearings.

Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются недостаточная надежность опоры скольжения вращающегося анода и сложность сборки опоры. Указанный недостаток является следствием того, что из-за неизбежных технологических погрешностей изготовления шевронных канавок, а также перекосов вызванных внешними возмущениями при эксплуатации трубки может нарушиться равенство встречных потоков смазки в шевронном профиле, что приведет к утечке смазки и падению давления в рабочем зазоре, т.е. к снижению надежности. Введение канала в подпятнике для подпитки смазкой радиального подшипника не обеспечивает эффективного равномерного снабжения смазкой всей опоры. Кроме того, цилиндрическая опора с одним подпятником критична к восприятию гироскопической реакции вращающегося анода. The disadvantages of the known device adopted for the prototype are the lack of reliability of the sliding support of the rotating anode and the complexity of the assembly of the support. This drawback is due to the fact that due to inevitable technological errors in the manufacture of chevron grooves, as well as distortions caused by external disturbances during tube operation, the equality of the opposite lubricant flows in the chevron profile may be violated, which will lead to leakage of lubricant and a drop in pressure in the working clearance, t. e. to reduce reliability. The introduction of the channel in the thrust bearing to replenish the grease of the radial bearing does not provide an efficient uniform lubrication of the entire bearing. In addition, a cylindrical bearing with one thrust bearing is critical to the perception of the gyroscopic reaction of the rotating anode.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности рентгеновской трубки с вращающимся анодом. The aim of the present invention is to increase the reliability and durability of the x-ray tube with a rotating anode.

Указанная цель достигается благодаря тому, что на цилиндрической рабочей поверхности опоры скольжения выполнена кольцевая канавка, полость которой каналами соединена с полостью со смазкой вне рабочего зазора опоры, при этом дно канавки имеет уклоны к ее центру, профильные спиральные канавки выполнены по обе стороны кольцевой канавки, образуя по два ряда встречно направленных несоединяющихся канавок, причем один ряд спиральных канавок имеет выход к торцу опоры, другой в полость кольцевой канавки, на торцевых поверхностях цилиндра выполнены спиральные канавки имеющие выход к центральному осевому отверстию. This goal is achieved due to the fact that an annular groove is made on the cylindrical working surface of the sliding support, the cavity of which is connected by a channel to the lubricated cavity outside the working clearance of the support, while the bottom of the groove has slopes toward its center, profile spiral grooves are made on both sides of the annular groove, forming two rows of counter-directed non-connected grooves, one row of spiral grooves having an exit to the butt end of the support, the other into the cavity of the annular groove, on the end surfaces of the cylinder no spiral grooves are provided having an exit to the central axial hole.

На фиг. 1 изображена предлагаемая рентгеновская трубка с вращающимся анодом на гидродинамической опоре скольжения; на фиг. 2 узел вращающегося анода на опоре со спиральными канавками. In FIG. 1 shows the proposed x-ray tube with a rotating anode on a hydrodynamic sliding support; in FIG. 2 rotating anode assembly on a support with spiral grooves.

Устройство (фиг. 1) содержит металлический корпус 1, в котором посредством изоляторов 2 и 3 установлены катод 4 и узел вращающегося анода (фиг. 2), состоящего из диска 5, изготовленного из композитного материала на основе углекерамики с вольфрамовым покрытием на рабочей поверхности, обеспечивающим максимальную теплопроводность, гидродинамической опорой 6, состоящей из вращающегося элемента 7, на котором закреплен ротор 8 двигателя, и невращающегося элемента 9, закрепленного через вал 10, втулку 11 и изолятор 2 в корпусе 1 трубки. Невращающийся элемент 9 опоры изготовлен в виде металлического цилиндра, на рабочей поверхности которого выполнена кольцевая канавка 12, по обе стороны от которой выполнены по два ряда спиральных микроканавок 13 и 14. На торцевых поверхностях цилиндра 9 также имеются спиральные канавки 15. Полость кольцевой канавки 12 связана с полостью уплотнения на неподвижном валу вне зоны рабочего зазора тонкими (капиллярными) каналами 16. Расположение кольцевой канавки, геометрические параметры спиральных канавок (угол наклона, протяженность, глубина, ширина) определяются из условия обеспечения силовых характеристик конкретной конструкции трубки. Для выхода рентгеновского излучения служит окно 17, изготовленное из материала прозрачного для рентгеновского излучения, например бериллия. The device (Fig. 1) contains a metal casing 1, in which, through insulators 2 and 3, a cathode 4 and a rotating anode assembly (Fig. 2) are installed, consisting of a disk 5 made of a composite material based on carbon ceramic with a tungsten coating on the working surface, providing maximum thermal conductivity, a hydrodynamic support 6, consisting of a rotating element 7, on which the rotor 8 of the engine is fixed, and a non-rotating element 9, fixed through the shaft 10, the sleeve 11 and the insulator 2 in the tube body 1. The non-rotating support element 9 is made in the form of a metal cylinder, on the working surface of which an annular groove 12 is made, on both sides of which are made two rows of spiral micro-grooves 13 and 14. On the end surfaces of the cylinder 9 there are also spiral grooves 15. The cavity of the annular groove 12 is connected with a sealing cavity on a fixed shaft outside the working gap zone by thin (capillary) channels 16. The location of the annular grooves, the geometric parameters of the spiral grooves (angle, length, depth, width ins) are determined from the condition providing power characteristics specific tube design. To exit the x-ray is a window 17 made of a material transparent to x-ray radiation, such as beryllium.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При включении электропривода рентгеновской трубки за счет активной части ротора 8 происходит вращения анода 5 и вращающегося элемента 7 гидродинамической опоры 6. При этом происходит вовлечение в рабочий зазор опоры смазочного вещества, составленного из жидкого металлического сплава на основе легкоплавких элементов 3 группы Периодической Системы Д.И. Менделеева. При вращении ротора 8 при наличии спирального микропрофиля 13, 14, 15 на неподвижном цилиндре 9 из-за вязкости смазка увлекается в зоны гладкой рабочей поверхности 18, где происходит ее уплотнение при одновременном сдвиге и сдавливании, обеспечивая необходимые силовые характеристики опоры. При достижении ротором номинальных оборотов происходит подача высокого напряжения (150 кВ) на излучатель электронов катод 4. Поток электронов, облучая быстровращающийся анод 5, возбуждает рентгеновское излучение, направляемое через окно 17 на исследуемый объект. The proposed device operates as follows. When the electric drive of the X-ray tube is switched on due to the active part of the rotor 8, the anode 5 and the rotating element 7 of the hydrodynamic support 6 rotate. In this case, a lubricant composed of a liquid metal alloy based on the low-melting elements of group 3 of the Periodic System D.I is drawn into the working gap. . Mendeleev. When the rotor 8 is rotated in the presence of a spiral microprofile 13, 14, 15 on a stationary cylinder 9, due to viscosity, the lubricant is carried away to the areas of the smooth working surface 18, where it is sealed with simultaneous shear and compression, providing the necessary power characteristics of the support. When the rotor reaches its nominal speed, a high voltage (150 kV) is applied to the electron emitter cathode 4. The electron stream, irradiating the rapidly rotating anode 5, excites X-ray radiation directed through the window 17 to the object under study.

Выполнение встречно направленных несоединяющихся канавок 14, 13 на цилиндрической рабочей поверхности опоры 6 позволяет увеличить давление в смазочном слое в зоне уплотнения (гладкая зона) и получить не только необходимые силовые характеристики опоры, которые обеспечивают сканирование трубки при проведении исследований, но и повысить надежность опоры, за счет предотвращения перетекания смазки в случае несимметричности ее тока. При появлении случайных нештатных силовых возмущений при проведении исследований возможно выдавливание смазочной жидкости из зоны рабочего зазора опоры и обеднение некоторых ее участков смазкой. В этом случае избыток вытесненного объема смазки в несмачиваемой полости запорного уплотнения увлекается через систему тонких (0,5-0,7 мм) каналов 16 в полость кольцевой канавки 12 и возвращается вновь в зону рабочего зазора. The implementation of counter-directed non-connecting grooves 14, 13 on the cylindrical working surface of the support 6 allows you to increase the pressure in the lubricating layer in the sealing zone (smooth zone) and to obtain not only the necessary power characteristics of the support, which provide scanning of the tube during research, but also to increase the reliability of the support, by preventing the flow of grease in case of asymmetry of its current. When random abnormal force disturbances occur during research, it is possible to squeeze out the lubricating fluid from the zone of the working clearance of the support and depletion of some of its sections with grease. In this case, the excess displaced volume of the lubricant in the non-wettable cavity of the locking seal is carried away through a system of thin (0.5-0.7 mm) channels 16 into the cavity of the annular groove 12 and returns again to the working gap zone.

Для предотвращения возможного нештатного распыления смазочной среды в полость рентгеновской трубки при длительной ее эксплуатации предусмотрены конструктивные меры в виде выполнения улавливающих лабиринтов между вращающимися и невращающимися частями и покрытия лабиринтного зазора ротора 8 слоем благородного металла для улавливания (прилипания) капель смазки. To prevent possible abnormal spraying of the lubricant into the cavity of the x-ray tube during its long-term operation, constructive measures are provided in the form of making capture labyrinths between rotating and non-rotating parts and covering the labyrinth gap of rotor 8 with a layer of noble metal to trap (stick) lubricant drops.

Предлагаемое устройство может быть выполнено в двух вариантах с предварительным подогревом и без обогрева. The proposed device can be made in two versions with pre-heating and without heating.

Конструкция рентгеновской трубки с предварительным подогревом выполнена таким образом, что при нормальных условиях в состоянии поставки, хранения, а также в составе рентгеновской установки при отсутствии питающих напряжений на электродах, электроприводе смазываемая среда в рабочем зазоре гидродинамической опоры подвеса вращающегося анода находится в "замороженном" состоянии. Это обусловлено тем, что температура рекристаллизации некоторых легкоплавких сплавов на основе галлия составляет примерно 30^oC. Для этого в камере трубки имеется встроенный термоэлемент, который перед работой трубки разогревает смазочную среду до жидкого состояния, а затем производят штатный запуск трубки.The design of the preheated X-ray tube is made in such a way that under normal conditions in the state of delivery, storage, and also in the X-ray unit in the absence of supply voltage to the electrodes, the electric drive, the lubricated medium in the working clearance of the hydrodynamic support of the suspension of the rotating anode is in a “frozen” state . This is due to the fact that the recrystallization temperature of some low-melting gallium-based alloys is approximately 30 ^o C. For this, the tube chamber has a built-in thermoelement that heats the lubricant medium to a liquid state before the tube runs, and then the tube is started up normally.

В случае конструкции рентгеновской трубки без предварительного подогрева смазки подбираются компоненты сплава на основе легкоплавких элементов, обеспечивающие жидкое состояние смазки в необходимых температурных условиях работы изделия. In the case of the design of the X-ray tube without preheating the lubricant, alloy components based on low-melting elements are selected that provide a liquid state of the lubricant under the necessary temperature conditions of the product.

По результатам проведенных исследований для рентгеновской установки с подводимой мощностью 100 кВт разработана трубка с вращающимся анодом массой примерно 0,5 кг на гидродинамической опоре цилиндрического типа со следующими параметрами:
Скорость вращения анода 9000 об/мин,
Длина цилиндра 60 мм, диаметр 40 мм,
Кольцевая канавка шириной 20 мм, глубиной 0,6 мм,
Дренажные каналы диаметром примерно 0,7 мм,
на цилиндре один пояс спиральных канавок с параметрами протяженность 9,5 мм, перемычка 6 мм, угол наклона 60^o, относительная ширина 0,7, глубина 20 мкм;
второй пояс спиральных канавок с параметрами: протяженность 5,5 мм, перемычка 4 мм, угол наклона 35^o, относительная ширина 0,6, глубина 15 мкм,
на торцевой части цилиндра спиральные канавки с параметрами: угол наклона 30^o, относительная ширина 0,7, глубина 20 мкм, относительная протяженность 0,8,
рабочий зазор 20-25 мкм,
смазка сплав галлия, индия.Based on the results of the studies, a tube with a rotating anode weighing about 0.5 kg on a cylindrical-type hydrodynamic support with the following parameters was developed for an X-ray unit with an input power of 100 kW:
Anode rotation speed of 9000 rpm,
Cylinder length 60 mm, diameter 40 mm,
Annular groove 20 mm wide, 0.6 mm deep,
Drainage channels with a diameter of approximately 0.7 mm,
on the cylinder there is one belt of spiral grooves with parameters of length 9.5 mm, a bridge 6 mm, a tilt angle of 60 ^o , a relative width of 0.7, a depth of 20 microns;
a second belt of spiral grooves with parameters: length 5.5 mm, bridge 4 mm, angle of inclination 35 ^o , relative width 0.6, depth 15 μm,
on the end of the cylinder there are spiral grooves with parameters: inclination angle 30 ^o , relative width 0.7, depth 20 μm, relative length 0.8,
working gap of 20-25 microns,
lubricant alloy gallium, india.

Предлагаемая конструкция рентгеновской трубки по сравнению с прототипом за счет значительного повышения жесткостных характеристик опоры обладает высокой надежностью. The proposed design of the x-ray tube in comparison with the prototype due to a significant increase in the stiffness characteristics of the support has high reliability.

Источники информации:
1. Патент США N 4856039, МКИ H 01 J 35/10, 08.08.89.Information sources:
1. US patent N 4856039, MKI H 01 J 35/10, 08.08.89.

2. Патент США N 4644577, МКИ H 01 J 35/10, 17.02.87. 2. US Patent N 4644577, MKI H 01 J 35/10, 02.17.87.

3. Патент США N 5077775, МКИ H 01 J 35/10, 31.12.91. 3. US patent N 5077775, MKI H 01 J 35/10, 12/31/91.

Claims

1. X-ray tube with a rotating anode, containing a vacuum chamber in which the cathode and the rotating anode are located, supported by a cylindrical sliding support with spiral grooves with liquid metal lubricant having an annular groove on the cylindrical surface, which includes spiral grooves on both sides, others the ends of which have an exit to the end of the support, on which spiral grooves are also made, characterized in that the spiral grooves on the cylindrical surface are divided into two zones opposite to each other However, the spiral grooves at the end of the support have an exit to the central axial hole, and the cavity of the annular groove is connected to the lubricant volume on the fixed shaft outside the zone of the working clearance of the support by capillary channels in the shaft body.

2. The tube according to claim 1, characterized in that the location of the annular groove is determined by the power characteristics of the support, and the belt of the spiral grooves have different lengths, widths and angles of inclination of the grooves.