RU2168791C1

RU2168791C1 - X-ray tube

Info

Publication number: RU2168791C1
Application number: RU99121728/09A
Authority: RU
Inventors: В.И. Выбыванец; А.С. Гонтарь; В.М. Гунько; М.Д. Кочетков; Ю.В. Николаев
Original assignee: Государственный научно-исследовательский институт Научно-производственного объединения "Луч"
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2001-06-10

Abstract

FIELD: X-ray equipment, applicable in medicine, flaw detection, guard systems, as well as in researches. SUBSTANCE: the anode, having a spherical-shaped working surface, in installed for rotation simultaneously about two axes located at an angle to each other, the axes of rotation intersect in the center of the sphere forming the anode working surface. EFFECT: reduced maximum temperature of the anode at a fixed power of X-radiation. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано в медицине, дефектоскопии, охранных системах, а также в научных исследованиях, например в рентгенотелевизионных установках, предназначенных для наблюдения за процессами в закрытых вакуумных системах. The invention relates to the field of X-ray technology and can be used in medicine, flaw detection, security systems, as well as in scientific research, for example, in X-ray television installations designed to monitor processes in closed vacuum systems.

Известны рентгеновские трубки (РТ), включающие источник электронов - катод, источник рентгеновского излучения - неподвижный анод и вакуумно-плотный корпус (см. Ф.Н. Хараджа "Общий курс рентгенотехники", М.-Л.: Энергия, 1966, с. 162-165). Интенсивность рентгеновского излучения таких трубок определяется допустимой тепловой нагрузкой на анод, которая не превышает несколько кВт при экспозиции длительностью (0,1-5) сек. Повышение тепловой нагрузки, а следовательно, интенсивности рентгеновского излучения ограничено недопустимым ростом температуры поверхности анода в фокусном пятне. X-ray tubes (RTs) are known, including an electron source - a cathode, an X-ray source - a fixed anode and a vacuum-tight casing (see F.N. Haraja "General course of X-ray engineering", M.-L.: Energy, 1966, p. 162-165). The x-ray intensity of such tubes is determined by the allowable thermal load on the anode, which does not exceed several kW during an exposure of (0.1-5) sec. An increase in the thermal load, and therefore, the intensity of X-ray radiation, is limited by an unacceptable increase in the temperature of the anode surface in the focal spot.

Известны также РТ с вращающимся анодом, включающие корпус с окном для выхода рентгеновского излучения, катодный узел и анод, консольно размещенный на валу узла вращения. Аноды таких трубок выдерживают нагрузку на уровне 100 кВт при эксплуатации длительностью (0,1-1) сек (см. Ю.Д. Денискин и Ю.А. Чижунова "Медицинские рентгеновские трубки и излучатели", М., Энергоиздат, 1984, с. 186-203). Это достигается тем, что при вращении анода тепловая нагрузка распределяется по кольцевой фокусной дорожке, площадь которой в сотни раз превосходит площадь фокусного пятна. RT with a rotating anode is also known, including a housing with a window for the exit of x-ray radiation, a cathode assembly and an anode cantilevered on the shaft of the rotation assembly. The anodes of such tubes can withstand a load of 100 kW during operation lasting (0.1-1) seconds (see Yu.D. Deniskin and Yu.A. Chizhunova "Medical X-ray tubes and emitters", M., Energoizdat, 1984, p. . 186-203). This is achieved by the fact that during the rotation of the anode, the thermal load is distributed along the annular focal track, the area of which is hundreds of times larger than the area of the focal spot.

Дальнейшее увеличение тепловой нагрузки в РТ с вращающимся анодом приводит к росту температуры фокусной дорожки, что вызывает неприемлемые скорости испарения материала рабочей поверхности. Таким образом, достигнутые значения температуры фокусного пятна и фокусной дорожки являются фактором, ограничивающим дальнейшее увеличение интенсивности рентгеновского излучения в известных РТ с вращающимся анодом. A further increase in the thermal load in a RT with a rotating anode leads to an increase in the temperature of the focal track, which causes unacceptable evaporation rates of the material of the working surface. Thus, the achieved temperature of the focal spot and focal track are a factor limiting the further increase in the intensity of x-ray radiation in known RTs with a rotating anode.

Задачей настоящего изобретения является снижение максимальной температуры поверхности анода при фиксированной мощности электронного луча или увеличение интенсивности рентгеновского излучения РТ при ограниченной максимальной температуре поверхности анода. The objective of the present invention is to reduce the maximum surface temperature of the anode at a fixed power of the electron beam or to increase the intensity of x-ray radiation of RT with a limited maximum surface temperature of the anode.

Согласно изобретению задача решается тем, что в РТ, включающей корпус с окном для выхода рентгеновского излучения, катодный узел и анод, консольно размещенный относительно вала узла вращения по продольной относительно трубки оси, анод выполнен со сферической рабочей поверхностью и возможностью вращения относительно поперечной оси, пересекающейся с продольной осью вращения и направленной под углом к продольной оси, при этом точка пересечения осей выбрана в центре сферы, образованной рабочей поверхностью анода, анод жестко связан поперечным относительно оси рентгеновской трубки валом, размещенным в поводковой вилке, с двумя коническими дисками вращения, расположенными между двумя ответными коническими опорными кольцами, закрепленными в обойме корпуса РТ. Анод может быть выполнен полым и жестко связан поперечным валом, размещенным в поводковой вилке, с одним коническим диском вращения, расположенным на ответном коническом опорном кольце, закрепленном в обойме корпуса РТ, а на другом конце вал снабжен противовесом. According to the invention, the problem is solved in that in the RT, including the casing with the window for the exit of x-ray radiation, the cathode assembly and the anode cantilevered relative to the shaft of the rotation assembly along the axis longitudinal with respect to the tube, the anode is made with a spherical working surface and the possibility of rotation relative to the transverse axis intersecting with a longitudinal axis of rotation and directed at an angle to the longitudinal axis, while the point of intersection of the axes is selected in the center of the sphere formed by the working surface of the anode, the anode is rigidly connected across a shaft relative to the axis of the x-ray tube, placed in a drive fork, with two conical rotation disks located between two mating conical support rings fixed in the holder of the housing of the RT. The anode can be made hollow and rigidly connected by a transverse shaft located in the drive fork, with one conical rotation disk located on the counter conical support ring mounted in the holder of the housing of the PT, and at the other end the shaft is equipped with a counterweight.

Изобретение иллюстрируется тремя рисунками. На фиг. 1 изображена конструкция РТ с двумя коническими опорными кольцами. На фиг. 2 изображен вариант конструкции с одним коническим диском вращения и одним ответным опорным кольцом. На фиг. 3 приведены траектории фокусной дорожки на развертке рабочей поверхности анода для десяти последовательных оборотов вокруг поперечной оси. The invention is illustrated in three figures. In FIG. 1 shows the construction of a PT with two conical support rings. In FIG. 2 shows a design variant with one conical rotation disk and one counter support ring. In FIG. Figure 3 shows the paths of the focal track on a scan of the working surface of the anode for ten consecutive revolutions around the transverse axis.

Конструкция РТ (фиг. 1) представляет собой корпус 1, включающий анодный 2 и катодный 3 высоковольтные изоляторы и окно 4, изготовленное из материала с малым атомным номером, служащее для вывода рентгеновского излучения. В отвакуумированном корпусе 1 размещены катод 5 с токовыводами 6 и анод 7 со сферической рабочей поверхностью. Анод 7 жестко связан поперечным относительно оси РТ валом 8, размещенным в отверстиях поводковой вилки 9, с коническими дисками 10 и 11. Конические диски 10 и 11 расположены с зазором между двумя ответными коническими кольцами 12 и 13 и вместе с ними образуют две конические фрикционные пары. Кольца 12 и 13 неподвижно закреплены в обойме 14, которая также неподвижно и электрически изолированно закреплена в корпусе 1 РТ. The design of the RT (Fig. 1) is a housing 1, including anode 2 and cathode 3 high-voltage insulators and a window 4 made of a material with a small atomic number, which serves to output x-ray radiation. In the evacuated housing 1 there is a cathode 5 with current leads 6 and an anode 7 with a spherical working surface. The anode 7 is rigidly connected transverse relative to the axis of the PT shaft 8, located in the holes of the yoke 9, with conical disks 10 and 11. The conical disks 10 and 11 are located with a gap between the two mating conical rings 12 and 13 and together form two conical friction pairs . The rings 12 and 13 are fixedly mounted in a holder 14, which is also fixedly and electrically isolated in the housing 1 of the RT.

Поводковая вилка 9 жестко связана через продольный относительно оси РТ вал 15 с ротором 16. При этом конструктивно обеспечено пересечение осей валов 8 и 15 в центре сферы, образующей рабочую поверхность анода. The driving fork 9 is rigidly connected through the shaft 15, longitudinal with respect to the axis PT, to the rotor 16. In this case, the axis of the shafts 8 and 15 intersect structurally at the center of the sphere forming the working surface of the anode.

На фиг. 2 показана конструкция анодного узла РТ с одним коническим кольцом 12 и одним диском вращения 10 на одном конце поперечного вала 8 и противовесом 17 на другом конце вала. In FIG. 2 shows the construction of the anode assembly RT with one conical ring 12 and one rotation disk 10 at one end of the transverse shaft 8 and a counterweight 17 at the other end of the shaft.

Работа РТ осуществляется следующим образом. От статора асинхронного двигателя (на фиг. 1 не показан) приводятся в движение ротор 16, вал 15 и закрепленная на нем поводковая вилка 9. Вращение поводковой вилки 9 вокруг продольной оси передается через проходящий в ее отверстиях вал 8 аноду 7 с коническими дисками 10 и 11. The work of the RT is as follows. From the stator of the induction motor (not shown in Fig. 1), the rotor 16, the shaft 15 and the drive fork 9 mounted on it are driven. The rotation of the drive fork 9 around the longitudinal axis is transmitted through the shaft 8 passing through its holes to the anode 7 with conical disks 10 and eleven.

Диски вращения 10 и 11, образующие с ответными коническими кольцами 12 и 13 две фрикционные пары, придают дополнительное вращение аноду вокруг оси поперечного вала 8. Возникающий при этом гироскопический момент усиливает прижатие конических дисков вращения 10 и 11 к ответным коническим кольцам 12 и 13. The rotation disks 10 and 11, forming two friction pairs with the mating conical rings 12 and 13, give additional rotation to the anode around the axis of the transverse shaft 8. The gyroscopic moment that arises at the same time reinforces the pressing of the conical rotational disks 10 and 11 to the mating conical rings 12 and 13.

Соотношение угловых скоростей поперечного 8 и продольного 15 валов определяется выражением

где r₈ и r₁₅ - радиус диска и радиус опорного кольца соответственно в точке их взаимного контакта;
ω₈ и ω₁₅ - угловые скорости валов 8 и 15 соответственно.The ratio of the angular velocities of the transverse 8 and longitudinal 15 shafts is determined by the expression

where r ₈ and r ₁₅ are the radius of the disk and the radius of the support ring, respectively, at the point of their mutual contact;
ω ₈ and ω ₁₅ are the angular velocities of the

shafts

8 and 15, respectively.

Расчеты показали, что при одновременном вращении анода вокруг продольной и поперечной осей фокусная дорожка, в отличие от замкнутой кольцевой линии, как в случае прототипа, имеет форму синусоиды, которая при каждом обороте вокруг оси поперечного вала сдвигается по фазе относительно синусоиды предыдущего оборота на величину, определяемую соотношением

На фиг. 2 показаны траектории фокусной дорожки на развертке поверхности анода для десяти последовательных оборотов вокруг поперечной оси вала 8. По оси X отложен периметр развертки, а по Y - расстояние от оси симметрии анода, определяющее ширину его рабочей поверхности. В расчетах использовалось значение соотношения

при радиусе сферической поверхности анода R = 30 мм. Числами обозначены номера оборотов. Видно, что траектории равномерно заполняют рабочую поверхность анода, причем соседние траектории далеко разнесены между собой. В результате, согласно расчетам, анод разогревается равномерно по всей рабочей поверхности, многократно превышающей площадь кольцевой фокусной дорожки (как в случае прототипа), что приводит к снижению максимальной температуры анода на (200-400)^oC при типичных значениях тепловой нагрузки.The calculations showed that while the anode rotates around the longitudinal and transverse axes, the focal track, in contrast to the closed annular line, as in the case of the prototype, has a sinusoid shape, which at each revolution around the axis of the transverse shaft is phase-shifted relative to the sinusoid of the previous revolution, determined by the relation

In FIG. 2 shows the trajectory of the focal track on the scan of the surface of the anode for ten consecutive revolutions around the transverse axis of the shaft 8. The axis of the scan is plotted along the X axis, and the distance from the anode axis of symmetry, which determines the width of its working surface, is plotted along the Y axis. The calculations used the value of the ratio

with a radius of the spherical surface of the anode R = 30 mm The numbers indicate the revolutions. It can be seen that the trajectories uniformly fill the working surface of the anode, and neighboring trajectories are far apart. As a result, according to the calculations, the anode is heated evenly over the entire working surface, many times exceeding the area of the annular focal track (as in the case of the prototype), which leads to a decrease in the maximum temperature of the anode by (200-400) ^o C at typical values of thermal load.

Из формул (1) и (2) следует, что отношение r₈/r₁₅ является управляющим геометрическим параметром в предлагаемой конструкции РТ для обеспечения оптимального распределения угловых скоростей по двум осям вращения с точки зрения равномерного распределения тепловой нагрузки по рабочей поверхности анода и механической нагрузки по осям.From formulas (1) and (2) it follows that the ratio r ₈ / r ₁₅ is a control geometric parameter in the proposed design of the RT to ensure the optimal distribution of angular velocities along the two axes of rotation from the point of view of the uniform distribution of the heat load on the working surface of the anode and mechanical load on the axes.

Поскольку в прототипе подвод тепла осуществляется по одной фокусной дорожке, то при повышенных мощностях в дополнение к вращению анода ограничение его максимальной температуры обеспечивается увеличением теплоемкости анода за счет увеличения его массы и использования многослойных анодов с дополнительным слоем из материала с высокой удельной теплоемкостью, например графита. В предложенной конструкции РТ это снижение температуры обеспечивается распределением потока по рабочей поверхности, поэтому анод может быть выполнен полым для снижения механической нагрузки на подшипники узла вращения и экономии дорогостоящего жаропрочного материала (W, Mo). Since in the prototype heat is supplied along one focal track, at increased powers, in addition to rotating the anode, limiting its maximum temperature is provided by increasing the heat capacity of the anode by increasing its mass and using multilayer anodes with an additional layer of material with high specific heat capacity, such as graphite. In the proposed design of the RT, this temperature reduction is ensured by the distribution of the flow over the working surface; therefore, the anode can be hollow to reduce the mechanical load on the bearings of the rotation unit and to save expensive heat-resistant material (W, Mo).

Claims

1. X-ray tube (RT), comprising a housing with a window for the exit of x-ray radiation, the cathode assembly and the anode, cantileverly mounted on the shaft of the rotation assembly along a longitudinal axis relative to the PT, characterized in that the anode is made with a spherical working surface and the possibility of rotation relative to the transverse axis intersecting with the longitudinal axis of rotation, while the point of intersection of the axes is selected in the center of the sphere formed by the working surface of the anode.

2. The x-ray tube according to claim 1, characterized in that the anode is rigidly connected transverse relative to the PT shaft, placed in a lead fork, with two conical rotation disks located between two mating conical rings fixed in the holder of the housing of the RT.

3. The x-ray tube according to claim 1, characterized in that the anode is rigidly connected transverse relative to the PT shaft, placed in a driving fork, with one conical rotation disk located on the mating conical ring mounted in the holder of the housing of the RT, and is provided on the other end of the shaft counterweight.

4. X-ray tube according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the anode is made hollow.