RU2117358C1 - X-ray tube revolving anode - Google Patents
X-ray tube revolving anode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2117358C1 RU2117358C1 RU97104512A RU97104512A RU2117358C1 RU 2117358 C1 RU2117358 C1 RU 2117358C1 RU 97104512 A RU97104512 A RU 97104512A RU 97104512 A RU97104512 A RU 97104512A RU 2117358 C1 RU2117358 C1 RU 2117358C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- target
- anode
- thickness
- focal track
- Prior art date
Links
Landscapes
- X-Ray Techniques (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно к вращающимся анодам рентгеновских трубок, применяемых в медицинской диагностике. The invention relates to x-ray technology, and more particularly to rotating anodes of x-ray tubes used in medical diagnostics.
Известен вращающийся анод рентгеновской трубки, содержащий графитовую подложку и мишень из тугоплавкого материала или сплава, при этом в графитовой подложке для снижения термических напряжений, обусловленных существенным различием коэффициентов линейного расширения материалов подложки и мишени, выполнены углубления в виде распределенной по ее поверхности системы глухих отверстий, заполненных материалом мишени [1]. 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, in order to reduce thermal stresses caused by a significant difference in the linear expansion coefficients of the substrate and target materials, recesses are made in the form of a blind hole system distributed over its surface, filled with target material [1].
Однако данная конструкция анода достаточно сложна в изготовлении, увеличивается расход дорогостоящего вольфрама, кроме того, в мишени возникают высокие термические напряжения, возрастающие с уменьшением толщины мишени. В конечном итоге это отрицательно сказывается на сроке службы анода и его надежности. However, this anode design is quite difficult to manufacture, the consumption of expensive tungsten increases, in addition, high thermal stresses appear in the target, increasing with decreasing target thickness. Ultimately, this adversely affects the life of the anode and its reliability.
Наиболее близким техническим решением к изобретению по технической сущности - прототипом, является вращающийся анод рентгеновской трубки, в котором для предотвращения растрескивания мишени на поверхности мишени образуют большое число щелей, расположенных симметрично относительно оси симметрии анода [2]. The closest technical solution to the invention by its technical essence - the prototype, is a rotating anode of an X-ray tube, in which to prevent cracking of the target on the target surface a large number of slots are formed that are symmetrical about the axis of symmetry of the anode [2].
Однако известная конструкция все же не позволяет в достаточной мере избавиться от напряжений, возникающих в мишени. Кроме того, при такой конструкции происходит потеря мощности рентгеновской трубки пропорционально площади щелей в мишени, а также данная конструкция сложна в технологическом исполнении. However, the known design still does not allow to sufficiently get rid of the stresses arising in the target. In addition, with such a design, the power of the X-ray tube is proportional to the area of the slits in the target, and this design is also difficult to manufacture.
Задачей настоящего изобретения является увеличение срока службы и повышение надежности вращающегося анода, а также уменьшение его стоимости. The present invention is to increase the service life and increase the reliability of the rotating anode, as well as reducing its cost.
Поставленная задача решается тем, что во вращающемся аноде рентгеновской трубки, выполненном из подложки и размещенной на ее поверхности мишени, подложка выполнена переменной по геометрическим размерам и/или материальному составу и свойствам материалов, причем толщина слоя подложки H в зоне фокусной дорожки выполняется не меньшей 0,1•(E1H
Подложка в зоне фокусной дорожки может быть выполнена с полостью, заполняемой материалом, температура кипения которого ниже температуры плавления материала подложки, например Na, Li, при этом расстояние между мишенью и полостью выбрано равным H. The substrate in the area of the focal track can be made with a cavity filled with a material whose boiling point is lower than the melting temperature of the substrate material, for example, Na, Li, and the distance between the target and the cavity is chosen equal to H.
Кроме того, мишень может быть размещена только в зоне фокусной дорожки, превышая ширину последней с обеих сторон не менее, чем на толщину мишени. In addition, the target can only be placed in the area of the focal track, exceeding the width of the latter on both sides by no less than the thickness of the target.
Мишень может быть выполнена из монокристалла, кроме того плотность материала подложки в зоне фокусной дорожки может быть выше средней плотности материала подложки. The target can be made of a single crystal, in addition, the density of the substrate material in the area of the focal track can be higher than the average density of the substrate material.
Подложка также может быть выполнена из материала, обладающего большей пластичностью, чем материал мишени. The substrate can also be made of a material having greater ductility than the target material.
Кроме того, подложка может быть выполнена из материала с уменьшающимся по радиусу коэффициентом термического расширения. In addition, the substrate can be made of a material with a decreasing radius coefficient of thermal expansion.
Как уже упоминалось, из-за разности коэффициентов линейного расширения материалов подложки и мишени возникают термические напряжения, отрицательно влияющие на срок службы анода и его надежность. Эти напряжения зависят от соотношения толщин мишени и подложки. При увеличении отношения толщины подложки к толщине мишени напряжения в мишени растут, а в подложке падают и наоборот. Как правило, во вращающихся анодах рентгеновских трубок толщина мишени существенно меньше толщины подложки, поэтому напряжения в мишени при больших температурах достаточно высоки, что может привести к растрескиванию мишени. Утолщение подложки применяется для лучшего отвода тепла из области фокусного пятна анода. Однако при кратковременных экспозициях подложка не успевает разогреваться, а в промежутках между экспозициями охлаждение за счет излучения приводит к существенному перераспределению поля температур в аноде, что позволяет выбирать режимы эксплуатации, не приводящие к перегреву подложки без увеличения ее толщины. Выполнение подложки переменной по геометрическим размерам или материальному составу и свойствам материалов позволяет снижать температурные перепады существенно неравномерно прогреваемого анода и соответственно термонапряжения, возникающие в аноде при эксплуатации. As already mentioned, due to the difference in the linear expansion coefficients of the substrate and target materials, thermal stresses arise that adversely affect the life of the anode and its reliability. These stresses depend on the ratio of the thicknesses of the target and the substrate. With an increase in the ratio of the thickness of the substrate to the thickness of the target, the stresses in the target increase, but in the substrate, and vice versa. As a rule, in rotating anodes of X-ray tubes, the thickness of the target is significantly less than the thickness of the substrate, therefore, the stresses in the target at high temperatures are high enough, which can lead to cracking of the target. Thickening of the substrate is used to better remove heat from the focal spot region of the anode. However, during short-term exposures, the substrate does not have time to heat up, and in the intervals between exposures, cooling due to radiation leads to a significant redistribution of the temperature field in the anode, which allows one to choose operating modes that do not lead to overheating of the substrate without increasing its thickness. The implementation of the substrate is variable in geometric dimensions or material composition and properties of materials can reduce the temperature drops of a substantially unevenly heated anode and, accordingly, thermal stresses that occur in the anode during operation.
Выбирая оптимальное соотношение толщин мишени и покрытия, можно при заданных режимах эксплуатации рентгеновской трубки подобрать толщину мишени минимальной, что приводит к упрощению изготовления анода и уменьшению его стоимости из-за меньшего расхода мишени. Choosing the optimal ratio of the target and coating thicknesses, it is possible to select the minimum target thickness for the given operating modes of the x-ray tube, which simplifies the manufacture of the anode and reduces its cost due to the lower consumption of the target.
Расчетно-экспериментальные исследования показывают, что уровень напряжений, возникающих при эксплуатации анода существенно зависит от толщин мишени и подложки в зоне фокусной дорожки, а также от модулей упругости мишени E1 и подложки E2. При фокусированной толщине мишени H1 и толщине подложки меньше 0,1•(E1H
Выполнение в подложке полости, заполняемой материалом, температура кипения которого меньше температуры плавления материала подложки, позволяет снизить рабочую температуру фокусной дорожки, так как при температуре зоны фокусной дорожки, близкой к температуре кипения материала, заполняющего полость, при вращении анода полость работает как тепловая труба (при вращении анода жидкость прижимается к внешней стенки полости, а продукты испарения поступают на внутреннюю стенку), что позволяет, охлаждая фокусную дорожку, получать близкое к равномерному распределение температуры по объему анода. Как показали расчетно-экспериментальные исследования, при выполнении в подложке анода полости, напряжения, возникающие в мишени, зависят в основном не от общей толщины подложки, а от расстояния между мишенью и полостью. The execution of a cavity filled with a material in a substrate, the boiling point of which is less than the melting temperature of the substrate material, can reduce the working temperature of the focal track, since when the temperature of the focal track zone is close to the boiling point of the material filling the cavity, the cavity acts like a heat pipe when the anode rotates ( during the rotation of the anode, the liquid is pressed against the outer wall of the cavity, and the evaporation products enter the inner wall), which allows cooling the focal track to get close to equal omernomu temperature distribution over the volume of the anode. As shown by calculation and experimental studies, when a cavity is performed in the anode substrate, the stresses arising in the target depend mainly not on the total thickness of the substrate, but on the distance between the target and the cavity.
Нанесение слоя мишени только в области фокусной дорожки приводит к уменьшению расхода материала мишени, кроме того, это позволяет лучше отводить тепло из области фокусного пятна, используя для подложки более теплопроводный материал, чем материал мишени. Эта также уменьшает термические напряжения в мишени и подложке анода, которые увеличиваются с ростом радиуса контакта мишени с подложкой. Превышение ширины мишени фокусного пятна с каждой стороны менее, чем на толщину мишени может приводить к перегреву подложки. The application of the target layer only in the area of the focal track leads to a decrease in the consumption of the target material, in addition, this allows better heat removal from the focal spot region, using a more heat-conducting material for the substrate than the target material. This also reduces thermal stresses in the target and the substrate of the anode, which increase with increasing radius of contact of the target with the substrate. Exceeding the width of the target of the focal spot on each side by less than the thickness of the target can lead to overheating of the substrate.
Выполнение мишени из монокристалла позволяет повысить ресурс анода, так как монокристаллический материал обладает большей пластичностью и прочностью, чем поликристаллический. Кроме того, за счет эффекта каналирования монокристаллическая мишень позволяет получать рентгеновское излучение большей интенсивности. The execution of the target from a single crystal allows to increase the resource of the anode, since a single crystal material has greater plasticity and strength than polycrystalline. In addition, due to the channeling effect, a single-crystal target makes it possible to obtain x-rays of higher intensity.
Расчетно-экспериментальные исследования показывают, что большие перепады температур и соответственно высокий уровень напряжений реализуются только в зоне фокусной дорожки, тогда как в остальном объеме подложки анода термические напряжения существенно ниже. Поэтому для облегчения анода и удешевления его изготовления средняя плотность материала подложки может быть ниже плотности материала в зоне фокусной дорожки (например, подложка может быть выполнена пористой во всем объеме, кроме зоны фокусной дорожки). Computational and experimental studies show that large temperature differences and, correspondingly, a high level of stresses are realized only in the zone of the focal track, while thermal stresses in the remaining volume of the anode substrate are significantly lower. Therefore, to facilitate the anode and reduce the cost of its manufacture, the average density of the substrate material can be lower than the density of the material in the zone of the focal track (for example, the substrate can be made porous in the entire volume except the zone of the focal track).
При уменьшении толщины мишени, как показывают исследования, пластические характеристики мишени приближаются к соответствующим характеристикам подложки, поэтому если подложка выполнена из материала, обладающего большей пластичностью, чем материал мишени, то фокусная дорожка анода выдерживает больше термоциклов до разрушения, чем анод, выполненный целиком из материала мишени. As the thickness of the target decreases, studies show that the plastic characteristics of the target approach the corresponding characteristics of the substrate, therefore, if the substrate is made of a material with greater plasticity than the target material, the focal track of the anode can withstand more thermal cycles to failure than the anode made entirely of material the target.
В результате импульсного нагрева анода при его эксплуатации поверхность основания в зоне фокусной дорожки существенно перегревается относительно его центральной части. Так, например, при диаметре анода 100 мм, подложка которого выполнена из молибденового сплава МН6 при толщине 5 мм и при мощности теплового потока 13,5 кВт радиальный перепад температур превышает 500 К. Поэтому в центральной части анода возникают растягивающие напряжения. As a result of pulsed heating of the anode during its operation, the base surface in the zone of the focal track substantially overheats relative to its central part. For example, with an anode diameter of 100 mm, the substrate of which is made of MH6 molybdenum alloy with a thickness of 5 mm and with a heat flux power of 13.5 kW, the radial temperature difference exceeds 500 K. Therefore, tensile stresses arise in the central part of the anode.
При выполнении центральной части подложки из сплава, КТР которого на 5% выше КТР сплава МН6, уровень растягивающих напряжений в аноде уменьшается более, чем на 15%, что обеспечивает повышение стойкости анода к тепловым нагрузкам. When the central part of the substrate is made of an alloy, the CTE of which is 5% higher than the CTE of the MH6 alloy, the level of tensile stresses in the anode decreases by more than 15%, which ensures anode resistance to thermal loads.
На чертеже показаны предлагаемые вращающиеся аноды рентгеновской трубки. Они содержат подложку 1, на которой размещена мишень 2 с фокусной дорожкой 3. На чертеже (вид а) показана также полость 4, заполняемая материалом с низкой температурой кипения. The drawing shows the proposed rotating anodes of the x-ray tube. They contain a substrate 1 on which a target 2 with a focal track 3 is placed. The drawing (view a) also shows a cavity 4 filled with a material with a low boiling point.
Пример конкретного выполнения
В молибденовой подложке, диаметр которой составляет 120 мм, толщина центральной части 29 мм, а угол конусной рабочей поверхности 12, механическим образом выполняют тороидальную полость шириной 20 мм и высотой 15 мм, толщина перемычки между полостью и рабочей поверхностью составляет 3,5 мм. Половина объема полости заполнялась натрием. При этом диаметр центрального отверстия для вала ротора составляет 10 мм, после чего на рабочую поверхность анода наносят (например, из парогазовой фазы) слой вольфрамовой мишени толщиной 1,5 мм. Как показали расчетно-экспериментальные исследования, в процессе эксплуатации анода при непрерывном режиме с интенсивностью потока тепла 9 кВт, временем экспозиции 12 с перерывом между экспозициями 20 с, время перерыва между сериями 12 с, температура фокусной дорожки такой конструкции более чем на 50 К ниже температуры аналогичного анода без полости, при этом уровень напряжений в мишени на 20% ниже уровня напряжений в аноде без полости, что приводит к увеличению ресурса анода почти в два раза.Concrete example
In a molybdenum substrate, the diameter of which is 120 mm, the thickness of the central part is 29 mm, and the angle of the conical working surface 12, a toroidal cavity 20 mm wide and 15 mm high is mechanically formed, the thickness of the bridge between the cavity and the working surface is 3.5 mm. Half of the volume of the cavity was filled with sodium. The diameter of the Central hole for the rotor shaft is 10 mm, after which a layer of a tungsten target 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 calculation and experimental studies, during operation of the anode in continuous mode with a heat flux rate of 9 kW, exposure time 12 with a break between exposures of 20 s, a break time between series of 12 s, the temperature of the focal track of such a design is more than 50 K below the temperature a similar anode without a cavity, while the stress level in the target is 20% lower than the voltage level in the anode without a cavity, which leads to an almost twofold increase in the anode resource.
Заявляемая конструкция обеспечивает в сравнении с прототипом повышенную эксплуатационную надежность и работоспособность. Достигаемое при этом снижение рабочих напряжений позволяет использовать анод в томографах повышенной мощности. The inventive design provides in comparison with the prototype increased operational reliability and availability. The achieved reduction in operating voltages allows the use of the anode in high-power tomographs.
Claims (7)
0,1 • (E1H1 2/E2)0,5
и не большей
10 • (E1H1 2/E2)0,5
где H1 - толщина мишени;
E1 и E2 - модули упругости мишени и слоя подложки соответственно,
а ширина этой зоны составляет не менее величины фокусной дорожки.1. The rotating anode of the x-ray tube made of a substrate and a target placed on its surface, characterized in that the substrate is made variable in geometric dimensions and / or material composition and properties of materials, and the thickness of the substrate layer H in the focal track area is not less
0.1 • (E 1 H 1 2 / E 2 ) 0.5
and no more
10 • (E 1 H 1 2 / E 2 ) 0.5
where H 1 is the thickness of the target;
E 1 and E 2 are the elastic moduli of the target and the substrate layer, respectively,
and the width of this zone is not less than the size of the focal track.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97104512A RU2117358C1 (en) | 1997-03-18 | 1997-03-18 | X-ray tube revolving anode |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97104512A RU2117358C1 (en) | 1997-03-18 | 1997-03-18 | X-ray tube revolving anode |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2117358C1 true RU2117358C1 (en) | 1998-08-10 |
RU97104512A RU97104512A (en) | 1998-12-10 |
Family
ID=20191084
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97104512A RU2117358C1 (en) | 1997-03-18 | 1997-03-18 | X-ray tube revolving anode |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2117358C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001016992A1 (en) * | 1999-09-02 | 2001-03-08 | Gosudarstvenny Nauchno-Issledovatelsky Institut Nauchno-Proizvodstvennogo Obiedineniya 'luch' (Gosnii Npo 'luch') | Rotary anode for an x-ray tube |
RU2446743C2 (en) * | 2006-10-31 | 2012-04-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Anode scanner with modulation for computer tomography |
-
1997
- 1997-03-18 RU RU97104512A patent/RU2117358C1/en active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001016992A1 (en) * | 1999-09-02 | 2001-03-08 | Gosudarstvenny Nauchno-Issledovatelsky Institut Nauchno-Proizvodstvennogo Obiedineniya 'luch' (Gosnii Npo 'luch') | Rotary anode for an x-ray tube |
RU2446743C2 (en) * | 2006-10-31 | 2012-04-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Anode scanner with modulation for computer tomography |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3694685A (en) | System for conducting heat from an electrode rotating in a vacuum | |
US4405876A (en) | Liquid cooled anode x-ray tubes | |
US4455504A (en) | Liquid cooled anode x-ray tubes | |
EP0184623A2 (en) | Heat dissipation means for X-ray generating tubes | |
US20100195797A1 (en) | Thermionic electron emitter and x-ray souce including same | |
US4631742A (en) | Electronic control of rotating anode microfocus x-ray tubes for anode life extension | |
CN111466008B (en) | Rotary anode for X-ray source | |
US20070086573A1 (en) | X-ray apparatus with a cooling device through which cooling fluid flows | |
JP2007035634A (en) | Rotating anode radiator | |
RU2117358C1 (en) | X-ray tube revolving anode | |
US3973156A (en) | Anode disc for an X-ray tube comprising a rotary anode | |
JP2008536255A (en) | Monochromatic X-ray source and X-ray microscope using such an X-ray source | |
US4394953A (en) | Method of joining individual parts of an X-ray anode, in particular of a rotating anode | |
EP1500123B1 (en) | A device for generating x-rays having a heat absorbing member | |
JP4309290B2 (en) | Liquid metal heat pipe structure for X-ray targets | |
US5295175A (en) | Method and apparatus for generating high intensity radiation | |
US10032598B2 (en) | X-ray systems and methods including X-ray anodes | |
JP4533553B2 (en) | X-ray tube | |
JP6153314B2 (en) | X-ray transmission type target and manufacturing method thereof | |
KR101150778B1 (en) | X-ray tube apparatus of industrial computed tomography equipment | |
RU2079179C1 (en) | Rotating anode of x-ray tube | |
RU2158453C2 (en) | Revolving anode of x-ray tube | |
US8014495B2 (en) | Creep-resistant rotating anode plate with a light-weight design for rotating anode x-ray tubes | |
JPS61116246A (en) | Infrared rays radiating body used in liquid | |
RU2022394C1 (en) | Rotating anode of x-ray tube |