Рентгеновская трубка

 

Изобретение относится к рентгеновской технике и может быть использовано в медицине, дефектоскопии, охранных системах, а также в научных исследованиях. Техническим результатом является снижение максимальной температуры анода при фиксированной мощности рентгеновского излучения. Результат достигается тем, что анод, рабочая поверхность которого имеет сферическую форму, установлен с возможностью вращения одновременно вокруг двух осей, расположенных под углом друг к другу, причем оси вращения пересекаются в центре сферы, образующей рабочую поверхность анода. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

Формула изобретения

1. Рентгеновская трубка (РТ), включающая корпус с окном для выхода рентгеновского излучения, катодный узел и анод, консольно размещенный на валу узла вращения по продольной относительно РТ оси, отличающаяся тем, что анод выполнен со сферической рабочей поверхностью и возможностью вращения относительно поперечной оси, пересекающейся с продольной осью вращения, при этом точка пересечения осей выбрана в центре сферы, образованной рабочей поверхностью анода.

2. Рентгеновская трубка по п.1, отличающаяся тем, что анод жестко связан поперечным относительно РТ валом, размещенным в поводковой вилке, с двумя коническими дисками вращения, расположенными между двумя ответными коническими кольцами, закрепленными в обойме корпуса РТ.

3. Рентгеновская трубка по п.1, отличающаяся тем, что анод жестко связан поперечным относительно РТ валом, размещенным в поводковой вилке, с одним коническим диском вращения, расположенным на ответном коническом кольце, закрепленном в обойме корпуса РТ, а на другом конце вала снабжен противовесом.

4. Рентгеновская трубка по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что анод выполнен полым.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3