Способ изготовления анода рентгеновской трубки

 

Изобретение относится к рентгеновской технике и может быть использовано при изготовлении анодов рентгеновских трубок медицинского и технического назначения. Технический результат заключается в том, что изобретение позволяет уменьшить расход легирующего элемента, например Re или OS, при одновременном упрощении технологии изготовления анода. Поставленная задача решается тем, что в способе, включающем формирование подложки анода, создание на ней мишени, генерирующей рентгеновское излучение, и проведение одно- или многостадийной термической обработки на поверхность мишени в области фокусной дорожки наносят легирующий элемент слоем, толщиной не менее 3 мкм, перед завершающей термической обработкой, когда пористость мишени еще достаточно высока. Нанесение легирующего элемента на поверхность осуществляется способом напыления или способом порошковой металлургии, например биндерным. В качестве легирующего элемента выбраны Re или OS. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при изготовлении анодов рентгеновских трубок медицинского и технического назначения.

В настоящее время в большинстве случаев аноды рентгеновских трубок изготавливаются в основном следующими способами: cпособом порошковой металлургии, при котором подложка и мишень формируются из порошковых материалов совместно или порознь с последующим прессованием и термической обработкой, например, спеканием, либо материал мишени наносят на подложку, изготовленную прессованием или литьем, способом напыления, например, плазменным с последующей термической обработкой. Для повышения долговечности анода верхний слой мишени, как правило, изготавливают из сплава W с легирующим элементом, например рением, придающим материалу этого слоя повышенную пластичность.

Так, известен способ получения анода, заключающийся в формировании подложки и многослойной мишени анода из порошковых материалов с последующим прессованием и спеканием. При этом верхний слой мишени толщиной до 1 мм формируется, например, из сплава W-Re с содержанием Re от 3 до 20 мас.% [Патент США, N 3836807, H 01 J 35|10, з. 01.03.1973 г.].

Недостатками данного способа изготовления анода является высокий расход дорогостоящего Re в связи с тем, что W-Re сплав наносится на всю поверхность анода со стороны фокусной дорожки и Re равномерно распределяется по толщине верхнего слоя мишени.

Известен также способ получения анода, заключающийся в нанесении на подложку в области фокусной дорожки сплавов тугоплавких материалов, например, W-Re сплава способом индуктивного плазменного напыления [Заявка ЕР N 0874385A1, МПК⁶ H 01 J 35|10, з. 17.04.1998 г.].

Недостатком такого способа также является повышенный расход Re, хотя за счет локального нанесения W-Re сплава в область фокусной дорожки он и уменьшается по сравнению с указанным аналогом. В рассматриваемом случае повышенный расход Re обусловлен неравномерным распределением частиц W-Re сплава в плазменной струе, что приводит к получению покрытия шириной не менее 25 мм, в то время как рабочая ширина фокусной дорожки не превышает 7-10 мм. Кроме того, толщина покрытия, полученная рассматриваемым способом, составляет 0,4-0,6 мм, тогда как зона пластической деформации материала анода в области фокусной дорожки (где требуется пластичный W-Re сплав) распространяется на глубину не более 100 мкм.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение расхода легирующего элемента, например, Re или Os при одновременном упрощении технологии изготовления анода.

Согласно изобретению поставленная задача решается тем, что в способе, включающем формирование подложки анода, создание на ней мишени, генерирующей рентгеновское излучение, и проведение одно- или многостадийной термической обработки на пористую поверхность мишени в области фокусной дорожки наносят легирующий элемент слоем толщиной не менее 3 мкм перед завершающей термической обработкой, когда пористость мишени еще достаточно высока. Термическую обработку осуществляют при температуре, равной 0,7 - 0,75 от температуры плавления материала подложки анода, в течение не менее 6 часов. Нанесение легирующего элемента на поверхность осуществляется способом напыления (магнетронным, вакуумно-термическим, лазерным, плазменным и другими) или способом порошковой металлургии, например, биндерным. В качестве легирующего элемента выбраны Re или Os.

При термической обработке, например, отжиге атомы рения за счет диффузии по границам зерен и поверхности открытых пор проникают вглубь анода, легируя приграничные участки зерен. Располагаясь по границам зерен, рений придает приграничным участкам зерен запас пластичности (в макроскопическом масштабе). Это приводит к более полной релаксации термонапряжений и подавлению развития несплошностей, образующихся при смещении (проскальзывании) одного зерна относительно другого. Кроме того, примеси рения снижают ковалентный характер межатомной связи вольфрама и "очищают" границы зерен от вредных примесей. В совокупности эти факторы, как известно, приводят к повышению долговечности анода.

Изготовленный предложенным способом анод, кроме уменьшенного расхода Re, будет обладать также рядом технических преимуществ по сравнению с анодом, у которого фокусная дорожка изготовлена из W-Re сплава. Во-первых, вследствие того, что при предложенном способе легируются только приграничные участки зерен, то коэффициент теплопроводности области фокусной дорожки будет близок к коэффициенту теплопроводности чистого вольфрама. Это позволит снизить температуру и напряжения в фокусном пятне и тем самым увеличить долговечность анода. Во-вторых, наличие тонкой пленки Re (~ 1-2 мкм) на фокусной дорожке позволит в процессе эксплуатации анода за счет диффузии Re по границам зерен поддерживать в приграничных участках зерен постоянную концентрацию, обеспечивающую максимальную пластичность материала в окрестности границ зерен. Кроме того, наличие тонкой пленки Re на поверхности анода не вызовет повышения температуры в фокусном пятне, так как длительность воздействия электронного пучка на область фокусного пятна (~10^-4 с) значительно больше времени распространения тепловой волны в пленке Re (~ 10^-6 с) [М.С. Эпштейн. Импульсный нагрев анодов с защитным тугоплавким покрытием. Электронная техника. Серия 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы, 1979, вып. 4, с. 29-36].

В качестве примера рассмотрим создание области фокусной дорожки в комбинированном аноде, полученном способом порошковой металлургии и состоящем из молибденовой подложки и вольфрамового покрытия.

В процессе эксплуатации рентгеновской трубки максимальная температура на поверхности мишени в области фокусного пятна достигает 2800-2900^oC и быстро спадает вглубь анода. На глубине ~100 мкм температура принимает значение, при котором диффузия рения по границам зерен незначительна, в результате чего глубина проникновения его за время эксплуатации анода практически не увеличивается.

Определим время термической обработки, в течение которого атомы Re по границам зерен и поверхности открытых пор за счет диффузии проникнут на такую глубину. Характерное время проникновения может быть определено следующим образом t~z²/D_s, где D_s - эффективный коэффициент диффузии Re в пористом материале, z - глубина проникновения Re в анод.

Вследствие пористости материала мишени, полученной прессованием, значение эффективного коэффициента диффузии несколько превышает коэффициент диффузии по границам зерен [Л.С. Палатник, П.Г. Черемский, М.Я. Фукс. Поры в пленках. М., Энергоиздат, 1982, с. 148], который в ~10^-5-10⁶ раз больше коэффициента объемной диффузии D_v [Б.Я. Любов. Диффузионные процессы в неоднородных твердых средах. М.: Наука, 1981, с. 155]. При дальнейших расчетах значение D_s примем равным его минимальному значению.

Значение коэффициента объемной диффузии примем равным [N.N. Arkhipova, S.M. Klotsman et. al. Phys. Rev. B, v. 30, N 4, p. 1788, 1984] где R - газовая постоянная, T - температура.

Термическая обработка на завершающей стадии, как правило, осуществляется при температуре, равной (0,7-0,75)-Т_пл, где Т_пл - температура плавления материала подложки анода.

Взяв температуру термической обработки равной 0,75-2620 = 1965^oC, получим время термической обработки равное 6 часам.

Проникая вглубь анода, Re одновременно диффундирует в приповерхностные участки зерен. За 6 часов глубина проникновения составит ~0,3 мкм. В процессе эксплуатации рентгеновской трубки за счет нагрева фокусного пятна атомы Re проникают вглубь зерна в среднем еще дополнительно на 0,3 мкм.

Для повышения долговечности анода в области фокусной дорожки должно находиться 10-15 мас. % Re [Ю.Д. Денискин, Ю.А. Чижунова. Медицинские рентгеновские трубки и излучатели. М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 167].

Определим теперь, какова должна быть толщина слоя Re, наносимого на фокусную дорожку, чтобы в процессе эксплуатации рентгеновской трубки концентрация Re в приграничных участках зерен и межзеренных границах в области анода под фокусной дорожкой была равна 10-15 масс.%.

При расчетах примем концентрацию Re в приповерхностных участках зерен и межзереннных границах в процессе эксплуатации анода, равной 10-15%; пористость слоя Re, наносимого на область фокусной дорожки, равной 10%, характерный размер зерна - 10 мкм. В результате получим толщину слоя Re, равной 2-3 мкм.

Легирование области фокусной дорожки предложенным способом возможно как для анодов, полученных способом порошковой металлургии, так и для анодов, мишень которых изготовлена, например, способом плазменного напыления.

Таким образом, в предложенном способе необходимый режим отжига для легирования области фокусной дорожки совмещается с режимом заключительной. Значение коэффициента объемной диффузии примем равным [N.N. Arkhipova, S.M. Klotsman et. al. Phys. Rev. B, v. 30, N 4, p. 1788, 1984].

стадии термической обработки анода. Предложенный способ существенно (по меньшей мере на порядок) снижает расход Re, так как он размещается только по границам зерен и в приграничных участках зерен. Способ является более простым, так как не требует использования W-Re сплава.

Расчеты, проведенные для Os, показали, что при тех же временных и температурных режимах, как и в случае Re, достигается аналогичный результат.

При расчетах значение коэффициента объемной диффузии 0s в W взято из [N. N. Arkhipova, S.M. Klotsman et. al. Phys. Rev. B, v. 30, N 4, p. 1788, 1984] .

Формула изобретения

1. Способ изготовления анода рентгеновской трубки, включающий формирование подложки анода, создание на ней мишени с фокусной дорожкой, генерирующей рентгеновское излучение, и одно- или многостадийную термическую обработку анода, отличающийся тем, что перед завершающей термической обработкой анода на пористую поверхность мишени в области фокусной дорожки наносят легирующий элемент слоем толщиной не менее 3 мкм и проводят отжиг при температуре, равной 0,7 - 0,75 от температуры плавления материала подложки анода в течение не менее 6 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что легирующий элемент наносят способом напыления или способом порошковой металлургии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующего элемента выбирают Rе или Os.