Способ изготовления анода рентгеновской трубки

Способ изготовления анода рентгеновской трубки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно к вращающимся анодам рентгеновских трубок (РТ), применяемых, например, в медицинской диагностике.

Аноды для мощных рентгеновских трубок, используемых в медицинской и других областях техники, как правило, выполняют из подложки (основного корпуса) и мишени на основе вольфрама. Основной проблемой при изготовлении и эксплуатации таких анодов является образование трещин на фокусной дорожке из-за существенной неравномерности ее нагрева, а также за счет разницы коэффициентов термического расширения материалов основы анода и его мишени. Это приводит к уменьшению мощности рентгеновского излучения и, как следствие, уменьшению ресурса анода. Решить эту проблему различные авторы пытаются путем подбора соответствующих материалов мишени и подложки анода, а также совершенствованием способов их изготовления.

Так, известен анод рентгеновской трубки, содержащий листовое и прессованно-спеченное анодное тело, мишенью анода служит слой, изготовленный из вольфрамового сплава, подложка содержит два слоя, первый слой содержит чистый вольфрам или сплав с высоким содержанием вольфрама, второй слой состоит из молибденового сплава (См. Патент Великобритании, № 1422461, НКИ H1D, опубл. 28.01.76). Недостатком такого анода является разрушение материалов мишени и подложки (появление трещин) в зоне фокусной дорожки при больших мощностях эксплуатации, происходящее из-за уменьшения теплопроводности. Все это снижает надежность работы анода.

Известен анод РТ, состоящий из 3-х слоев, верхний из которых (мишень) выполнен из поликристаллического вольфрамового сплава, например вольфрам-рений, следующий за ним промежуточный слой - из вольфрама или вольфрамового сплава с более низким значением предела текучести, чем у первого слоя, а последний слой (подложка) - из молибдена или молибденового сплава (СМ. Патент США № 4331902, НКИ 313/330, опубл. 25.05.82 г.). Реализация указанного технического решения позволяет повысить стойкость материала фокусной дорожки к растрескиванию в условиях термоциклирования при рабочих температурах за счет выбора оптимального соотношения прочностных характеристик мишени и промежуточного слоя между мишенью и подложкой. Сложность этой конструкции предопределяет ее высокую стоимость. Эта конструкция реализуется методом порошковой металлургии и поэтому анод содержит повышенное содержание газообразующих примесей, что ставит проблему поддержания высокого вакуума в РТ при длительном ресурсе.

Известен вращающийся анод рентгеновской трубки, при изготовлении которого на несущий слой молибдена наносят посредством штамповки с быстрой деформацией слой-мишень из вольфрама, после чего с помощью высокотемпературного напыления увеличивают толщину несущего слоя до уровня, достаточного для обеспечения хорошего теплоотвода при работе на больших мощностях (См. Патент США № 4641333, НКИ 378-144, заявл. 09.09.85 г.) Однако этот анод также достаточно сложен в изготовлении, отличается высокой нагрузкой на подшипники при вращении анода и, как следствие, снижает ресурс трубки.

Известен вращающийся анод рентгеновской трубки, который содержит вольфрамовую мишень и титановый корпус, который за счет низкого удельного веса облегчает работу узла вращения анода (См. Заявка Франции № 2592987, МПК H01J 35/10, заявл. 10.01.86 г.).

Однако такой анод не позволяет эффективно охлаждать зону фокусной дорожки из-за низкой теплопроводности титана, что при работе анода на больших мощностях может привести к перегреву области титанового корпуса, прилегающей к зоне фокусной дорожки.

Известен анод (См. Патент РФ № 2158453, МПК H01J 35/10, заявл. 25.04.97 г.), в котором для увеличения срока службы и повышения нагрузочной способности вращающего анода основной корпус выполняют из двух или более слоев, один из которых титан, а другой(ие) слои, прилегающие к мишени - из материалов, теплопроводность которых составляет не менее 0.8 от теплопроводности материала мишени (вольфрама или молибдена), например, из молибдена или его сплавов. В описании к изобретению дан пример конкретного выполнения анода из титана, молибдена и мишени из вольфрама, которую на рабочую поверхность анода предлагают наносить из парогазовой фазы. Анод такой конструкции является наиболее предпочтительным для использования в мощных РТ. К недостаткам такого анода можно отнести проблемы, возникающие при его изготовлении.

Известен также анод, в котором мишень и/или слой (слои) подложки выполнены монокристаллическими. При этом в одном из вариантов описанной конструкции мишень выполняют из вольфрама или его сплава, например с рением, слой подложки, прилегающий к мишени, выполняют из вольфрама, второй слой подложки выполняют из материала с большей, чем у первого слоя, удельной поверхностью, например из титана. Изготавливать такие аноды рекомендуют известными методами пайки слоев основания (подложки) и нанесением мишени из вольфрама из парогазовой фазы (См. заявка PTC/RU 99/0316 от 02 сентября 1999 г., МПК H01J 35/10). Недостатком предлагаемого анода является сложность его изготовления.

В настоящее время в большинстве случаев аноды рентгеновских трубок изготавливают в основном способом порошковой металлургии, при котором подложку и мишень формируют из порошковых материалов совместно или по отдельности с последующим прессованием и термической обработкой, например спеканием. Либо материал мишени наносят на подложку, изготовленную прессованием или литьем, методом химического или физического осаждения из газовой фазы тугоплавких материалов с последующим проплавлением области фокусной дорожки (См., например, Патент Австрии № 397005, МПК H01J 35/10, заявл. 07.05.1991 г.; Заявка ЕПВ № 0874385, МПК H01J 35/10, заявл. 17.04.1998).

Однако при изготовлении анодов РТ известными способами между покрытием и подложкой получается резкая граница. Наличие пор и различных структурных дефектов на этой границе снижает ее прочность, в результате чего долговечность анода при циклическом тепловом нагружении ограничивается разрушением этой границы. Кроме того, использование токсичных материалов (фторидов вольфрама и рения) при получении покрытий методом химического осаждения из газовой фазы в аварийных ситуациях приводит к нарушению экологии. Необходимо отметить также, что при изготовлении многослойных анодов часто сталкиваются с проблемой соединения пар металлов (слои подложки, подложка - мишень, слои мишени), которые разными авторами решаются различными путями.

Известны методы соединения титана с металлами, а также молибдена с вольфрамом диффузионной сваркой. Диффузионная сварка как метод соединения разнородных материалов имеет ряд преимуществ перед методами, указанными выше, и дает при определенных условиях прочные соединения, которые применяют в сложных и ответственных конструкциях (См. Н.Ф.Казаков Диффузионная сварка материалов, стр.185-200). Описаны режимы диффузионной сварки титана с некоторыми металлами и сплавами, а также молибдена и вольфрама, молибдена и вольфрамрениевого сплава. Для повышения прочности сварку этих материалов проводили через различные промежуточные слои материалов (никель, тантал, молибден и т.п.)

Однако технологии соединения многослойной композиции титан-молибден-вольфрам, которая наиболее предпочтительна при изготовлении мощных вращающихся анодов рентгеновских трубок и которую можно было бы непосредственно использовать для создания анодов на основе указанной композиции или использовать в качестве ближайшего аналога (прототипа) из предшествующего уровня техники, авторами не выявлено.

Технической задачей изобретения является создание способа изготовления анода на основе титана-молибдена-вольфрама, устраняющего недостатки известных способов, обеспечивающего повышенную надежность и повышенный ресурс конструкции анода.

Техническая задача решается тем, что способ изготовления анода рентгеновской трубки включает изготовление подложки из титана или его бета-сплавов в форме конического диска или в форме конического диска с кольцевой проточкой, выполненной в месте расположения фокусной дорожки, размещение на поверхности конического диска или в кольцевой проточке последовательно слоями пластин молибдена и мишени, при этом между поверхностью подложки из титана или его бета-сплавов и пластины из молибдена, между пластиной из молибдена и мишенью устанавливают промежуточные слои, после чего собранную конструкцию размещают в вакуумной камере, прикладывают нагрузку и подвергают термической обработке, которую проводят в два этапа, первоначально для установления угла пластин молибдена и мишени, равного углу подложки, от 12° до 18°, затем для обеспечения соединения слоев, при этом на первом этапе осуществляют нагрев до температуры 600С° и выдерживают под нагрузкой 0,5 кг/мм² в течение 5 минут, затем продолжают нагрев до температуры 0.6-0.8 от температуры плавления наиболее легкоплавкого материала в сборке и выдерживают в течение времени от 10 до 180 минут, увеличив нагрузку до от 0.5 до 5 кг/мм², сборную конструкцию охлаждают до 150С° извлекают изделие и осуществляют контроль качества, причем промежуточные слои формируют из материалов с температурой плавления ниже или выше максимальной температуры процесса термообработки, а наложение нагрузки осуществляют пуансоном, выполненным из рения.

В качестве материала мишени используют, по крайней мере, или монокристаллический вольфрам, или вольфрам-рений или вольфрам-тантал.

На поверхности мишени размещают слой порошка из рения.

В качестве материалов промежуточных слоев используют, по крайней мере, или медь, или никель, или тантал, или молибден, или ниобий, или хром или их сплавы.

Промежуточные слои выполняют многослойными, например, никель-медь-никель.

Промежуточные слои формируют или плазменным, или детонационным, или гальваническим или испарения - конденсации в вакууме методами.

Промежуточные слои формируют, по крайней мере, в виде фольги или порошков.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема анода, на фиг.2 - схема анода с кольцевой проточкой.

Анод для рентгеновской трубки представляет собой подложку 1 в виде конического диска (см. фиг.1), выполненную из титана или его сплавов. На конической поверхности подложки 1 размещают слоями пластины из молибдена 2 и мишени 3. Между поверхностью подложки 1 и пластиной из молибдена 2 и между пластиной из молибдена 2 и мишенью 3 устанавливают промежуточные слои 4.

На конической поверхности подложки 1 в месте расположения фокусной дорожки может быть выполнена проточка 5. В этом случае пластины из молибдена 2, мишень 3 и промежуточные слои 4 размещают внутри проточки 5.

Мишень 3 может быть изготовлена или из монокристаллического вольфрама, или вольфрам-рения или вольфрам-тантала. Температуры плавления перечисленных металлов составляют 3416°C для вольфрама, 2580°C для молибдена, 3170°C для рения и 2996°С для тантала.

На поверхность мишени 3 может быть нанесен слой порошка из рения. Присутствие рения и тантала на поверхности вольфрама улучшает пластические свойства последнего при нагреве электронным пучком до температур, превышающих температуру начала рекристаллизации вольфрама.

Промежуточные слои 4 могут быть изготовлены из или меди, или никеля, или тантала, или молибдена, или ниобия, или хрома или их сплавов. Разница в коэффициентах термического расширения между молибденом и вольфрамом, при нагреве анода до рабочих температур, может достигать 30%. Это приводит к разрушению анода из-за возникновения термонапряжений. По этой причине применяются промежуточные пластичные слои, в которых состав металлов плавно меняется. Промежуточные слои 4 формируют, по крайней мере, в виде фольги или порошков.

Промежуточные слои 4 формируют или плазменным, или детонационным, или гальваническим или испарения - конденсации в вакууме методами. Нанесение покрытия плазменным методом наиболее технологически отработано, обеспечивает наилучшую адгезию, но установки для нанесения плазменного покрытия обладают высокой стоимостью. Метод детонационного покрытия отличается высокой производительностью и относительно невысокой стоимостью оборудования, не приводит к нагреву подложек до высокой температуры, обеспечивает удовлетворительную адгезию покрытий. Гальванические покрытия требуют тщательной подготовки материалов и отработанности технологии, не обеспечивают высокой адгезии, требуют дополнительной обработки для обеспечения высокой чистоты покрытий. Метод испарения - конденсации обеспечивает высокую чистоту покрытий, но малопроизводителен. Выбор того или иного метода нанесения покрытий зависит, в основном, от технических возможностей изготовителя и экономической целесообразности.

Промежуточные слои 4 выполняют многослойными, например, никель-медь-никель. Традиционно используют при диффузионной сварке материалы, позволяющие избежать образования интерметаллидов в зоне сварного соединения, между титаном и молибденом, молибденом и вольфрамом.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Выполняют подложку из титана или его бета-сплавов диаметром 60-100 мм, подложке придают форму конического диска механическим путем с углом 12-17°. Размещают на подложке пластины из молибдена и мишень из вольфрама, а между ними тонкие фольги (толщиной 5-10 мкм) или порошки (с фракцией не более 5 мкм и толщиной слоя 5-10 мкм) из выбранных материалов промежуточных слоев, например никеля. Сборку помещают в вакуумную камеру, откачивают до остаточного давления 10^-4-10^-5 мм рт.ст., нагревают до температуры 800°С и прикладывают нагрузку 5 кг/мм². Дальнейший нагрев осуществляют до 950°С и выдерживают на режиме 30-100 минут.

На первом этапе термообработки выдерживают температуру 600°С (одинаково для всех сборок) и нагрузку 0,5 кг/мм² для установления угла пластин молибдена и мишени из вольфрама, равного углу подложки, 12-17° (или 18°). 3атем (второй этап термообработки) осуществляют температурную обработку в вакууме и при наложении нагрузки при значениях указанных выше.

При выполнении в подложке проточки соответствующие слои молибдена и мишени из вольфрама и промежуточные слои размещают в проточке. И в дальнейшем осуществляют температурную обработку в вакууме и при наложении нагрузки при значениях, указанных выше.

Существо способа не меняется при использовании просто подложки и подложки с проточкой.

Изделия диаметром 90 мм и высотой 15 мм на основе титана, молибдена и вольфрама имели высокое качество, так, металлографический анализ показал хорошее качество границ между подложкой и молибденом, а также между молибденом и мишенью: отсутствие трещин, протяженных пор, несплошностей.

Более детально существо предлагаемого способа раскрывается при помощи нижеприведенного примера конкретного выполнения.

Из литого титана марки 4201 (бета-сплав с содержанием 33% молибдена) изготавливают конический диск диаметром 88 мм и с углом конуса, равным 14°. На этот диск последовательно накладывают фольгу из никеля НП-1 толщиной 10 мкм, лист молибдена МЧ толщиной 1,5 мм, фольгу из никеля толщиной 10 мкм, затем пластину из вольфрама (мишень) толщиной 0,4 мм. Эту сборку размещают в вакуумной камере и вводят в контакт с пуансоном нагруженного устройства. Создают вакуум 10^-5 мм рт.ст., нагревают до 600°С, прикладывают нагрузку 0,5 кг/мм² для формования пластин М-W до заданного угла, выдерживают 5 мин, затем повышают температуру до 970°С, увеличивают нагрузку до 5 кг/мм² и выдерживают при данных условиях 30-100 минут. Затем охлаждают установку до 150°С, извлекают изделие и осуществляют контроль качества.

На основании многочисленных экспериментов выявлено, что предлагаемый способ изготовления анода рентгеновской трубки в комплексе лишен недостатков известных способов. Основные материалы мишени, молибден и промежуточные слои в виде листов после прокатки, а не изготовленные методом спекания порошков, и титан после плавки обеспечивают практически их теоретическую плотность и, как следствие, низкое газоотделение.

Кроме того, выполнение мишени из материалов (молибден и вольфрам) с практически теоретической плотностью повышает ресурс рентгеновской трубки за счет высокой трещиностойкости. С учетом этого выполнение подложки из титана,

материала с высокой теплоемкостью и степенью черноты, приводит к комплексу более высоких эксплуатационных характеристик рентгеновских трубок (мощности, ресурса, газоотделения) по сравнению с известными.

Сам способ наиболее прост по сравнению с известными, поскольку реализуется при сравнительно низких температурах 1000-1200°С, невысоких нагрузках 0,5-5 кг/мм², непродолжительном времени 30-100 минут, и также позволяет за один процесс производить несколько изделий.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления анодов рентгеновских трубок позволяет изготовить комбинированный вольфрам-молибденовый с титановым корпусом анод облегченной конструкции, что положительно влияет на работоспособность подшипников, удешевляет его изготовление, уменьшает газоотделение внутри прибора, позволяет увеличить удельную электрическую мощность анода и увеличить ресурс изделия.

1. Способ изготовления анода рентгеновской трубки, включающий изготовление подложки из титана или его бета-сплавов в форме конического диска или в форме конического диска с кольцевой проточкой, выполненной в месте расположения фокусной дорожки, размещение на поверхности конического диска или в кольцевой проточке последовательно слоями пластин молибдена и мишени, при этом между поверхностью подложки из титана или его бета-сплавов и пластины из молибдена, между пластиной из молибдена и мишенью устанавливают промежуточные слои, после чего собранную конструкцию размещают в вакуумной камере, прикладывают нагрузку и подвергают термической обработке, которую проводят в два этапа, первоначально для установления угла пластин молибдена и мишени, равной углу подложки от 12 до 18°, затем для обеспечения соединения слоев, при этом на первом этапе осуществляют нагрев до температуры 600°С и выдерживают под нагрузкой 0,5 кг/мм² в течение 5 мин, затем продолжают нагрев до температуры 0,6-0,8 от температуры плавления наиболее легкоплавкого материала в сборке и выдерживают в течение времени от 10 до 180 мин, увеличив нагрузку до от 0,5 до 5 кг/мм², сборную конструкцию охлаждают до 150°С, извлекают изделие и осуществляют контроль качества, причем промежуточные слои формируют из материалов с температурой плавления ниже или выше максимальной температуры процесса термообработки, а наложение нагрузки осуществляют пуансоном, выполненным из рения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала мишени используют, по крайней мере, или монокристаллический вольфрам, или вольфрам-рений, или вольфрам-тантал.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхности мишени размещают слой порошка из рения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материалов промежуточных слоев используют, по крайней мере, или медь, или никель, или тантал, или молибден, или ниобий, или хром, или их сплавы.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что промежуточные слои выполняют многослойными, например никель-медь-никель.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что промежуточные слои формируют или плазменным, или детонационным, или гальваническим или испарения - конденсации в вакууме методами.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что промежуточные слои формируют, по крайней мере, в виде фольги или порошков.