автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Исследование и разработка рентгеновских трубок высокой мощности для флюорографических аппаратов сканирующего типа

005011454

Столяров Василий Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЕНТГЕНОВСКИХ ТРУБОК ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ ФЛЮОРОГРАФИЧЕСКИХ АППАРАТОВ СКАНИРУЮЩЕГО ТИПА

Специальность: 05.11.10. Приборы и методы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 (ЛАР 2012

Москва 2012

005011454

Работа выполнена во «Всероссийском научно-исследовательском и испытательном институте медицинской техники» Росздравнадзора

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Блинов Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Владимиров Лев Владимирович Доктор технических наук, профессор Таубин Михаил Львович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Защита состоится «_» _2012 года в_часов на заседании

диссертационного совета Д 208.001.01 при Всероссийском научно-исследовательском и испытательном институте медицинской техники (ВНИИИМТ) Росздравнадзора по адресу: 129301, Москва, ул. Касаткина, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИИМТ.

Автореферат разослан «_»__2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Э.Б. Козловский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Показатели здоровья населения определяются множеством факторов. Важнейшим среди них является состояние медицинской помощи, в том числе, ее диагностической службы, позволяющей своевременно распознать заболевания и обеспечить своевременное адекватное лечение.

В национальном проекте «Здоровье» одно из ведущих мест занимает развитие современных рентгенорадиологических технологий, решающих проблему роста заболеваемости. Благодаря национальному проекту «Здоровье» наблюдается положительная тенденция к пополнению и переоснащению парка оборудования современной техникой. В настоящее время в лечебных учреждениях страны насчитывается более 98,2 тыс. единиц диагностического оборудования, что на 30% больше подобного показателя двадцатилетней давности.

В структуре радиологических аппаратов преобладают аппараты лучевой диагностики, около 67 тыс. аппаратов. Доля рентгеновских аппаратов составляет 36,2%. Динамика роста числа цифровых рентгеновских аппаратов за период с 2004 по 2010 гг. показывает, что число цифровых рентгеновских аппаратов выросло с 1459 в 2004 до 5309 в 2010 году. Доля цифровых флюорографов в структуре цифровых рентгеновских аппаратов в 2010 году составила 59%.

Динамика рентгеновских профилактических обследований органов грудной клетки за период с 2002 по 2010 гг. показывает, что за указанный период число рентгенологических профилактических исследований органов грудной клетки выросло на 14%, при этом число исследований на цифровых аппаратах увеличилось в 20,2 раза.

В настоящее время для скринингов ого обследования органов грудной клетки распространены аппараты сканирующего типа. Данные аппараты характеризуются значительно меньшей дозой, получаемой пациентом во время обследования. Уменьшение дозы достигается благодаря применению линейки детекторов, движущейся одновременно с тонким веерообразным пучком рентгеновского излучения по всей области снимка. Однако применение подобной конструкции существенно увеличивает время экспозиции, до 7 сек.

Для обеспечения заявленного разрешения, рентгеновская трубка (РТ) сканирующего аппарата должна иметь малый размер фокусного пятня 0,3x0,3 мм. Следует также отметить, что работа аппаратов в режиме наиболее интенсивного скринингового обследования подразумевает получение снимка с высокой частотой до одного снимка в минуту. Особенности эксплуатации РТ в аппаратах сканирующего типа приводят к значительным тепловым нагрузкам на РТ и соответственно увеличивают частоту выхода их из строя. Так для флюорографов с пространственным разрешением снимка 1,8 пар линий на мм тепловая мощность, сообщаемая анодному диску за одну экспозицию продолжительностью 6,5 сек.,

з

составляет 16 кВт, а для аппаратов с разрешением снимка 3,2 пар линий на мм максимальная темповая мощность равна 32 кВт.

В настоящее время аппараты сканирующего типа комплектуются диагностическими РТ, разработанными в первую очередь для работы в режиме короткого снимка и обладающими рядом существенных ограничений. Данные РТ удовлетворительно работают в режиме сканирующего аппарата при входной мощности, не превышающей 3 кВт. При эксплуатации диагностических РТ в более нагруженных режимах узлы РТ подвержены ускоренному износу и выходу из строя, вызванному недостаточной теплоемкость анодного диска, низкой скоростью вращения анода или повреждениями подшипников в узле вращения. Поэтому актуальным является разработка конструкторских и технологических решений, направленных на создание РТ работающих в условиях повышенных тепловых нагрузок характерных для аппаратов сканирующего типа.

Ресурс работы РТ в аппаратах сканирующего типа для скринингового обследования должен составляет 20-30 тысяч включений. Периодичность замены трубок зависит от режима нагрузки аппарата и интенсивности его использования и колеблется от 0,5 до 2 лет. Ежегодная потребность в подобных РТ составляет 300-400 штук для РТ с входной мощностью анода 5 кВт, и 1000-1200 штук для РТ с входной мощностью анода 2,5 кВт. Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование и разработка научно-обоснованных конструкторских и технологических решений, направленных на создание РТ, работающей в условиях повышенных тепловых нагрузок, характерных для аппаратов сканирующего типа. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Анализ тепловых процессов в РТ с композиционным анодом при кратковременных и длительных нагрузках;

2. Разработка технологии производства композиционных анодов РТ методом диффузионной сварки;

3. Анализ внутренних напряжений и характера разрушения композиционного анода при переменной нагрузке;

4. Исследование влияния обработки эмитирующего слоя анодного диска на характеристики РТ и разработка технологии модификации рабочей поверхности анода с использованием метода лазерной абляции в жидкости;

5. Исследование виброхарактеристик узлов вращения РТ;

6. Выбор и обоснование конструкции высокоскоростного узла вращения;

7. Разработка двухфокусной катодной головки, оптимизированной под РТ для аппаратов сканирующего типа;

8. Определение влияния наноструктурной модификации поверхности плоских вольфрамовых эмиттеров методом лазерной абляции в жидкости на их характеристики;

9. Исследование рабочих характеристик РТ для аппаратов сканирующего типа;

Методы исследований

При решении доставленных задач применялись следующие основные

методы исследований:

- анализ и обобщение литературных данных в области конструирования и технологии производства РТ с вращающимся анодом;

- методы математического анализа и компьютерного моделирования;

- экспериментальные исследования с использованием оптических методов, радиационного метода контроля параметров излучения, метода измерения вибрационных параметров и др.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Увеличение мощности дозы РТ при создании на предварительно отшлифованной поверхности вольфрамовой мишени микронеровностей методом лазерной абляции в жидкости. При достижении микроструктурами равномерного распределения по поверхности вольфрама и размеров от 0,85 до 1,45 мкм, увеличение мощности дозы составляет 10% по отношению к шлифованному аноду с линейной структурой распределения и размерами микронеровностей в пределах от 0,16-0,32 мкм.

2. Увеличение ресурса композиционного анода на 30% за счет упрочнения верхнего слоя вольфрамовой мишени при воздействии высокого давления паровой фазы, образующейся в рабочей жидкости, при ее нагреве и переходе в сверхкритическое состояние в точке взаимодействия импульсного фемтосекундного лазерного излучения с поверхностью мишени.

3. Плоский поликристаллический вольфрамовый эмиттер с поверхностью, наноструктурированной методом лазерной абляции в жидкости, имеет уменьшенную на 0,3 эВ работу выхода электронов.

4. Результаты математического моделирования тепловых процессов в композиционном аноде, подтверждающие возможность применения титана в качестве материала подложки композиционного анодного диска.

Научная новизна

1. Разработана и внедрена в производство технология изготовления мишеней рентгеновской трубки с вращающимся анодом с использованием метода диффузионной сварки.

2. Исследованы тепловые процессы в рентгеновских трубках с композиционным вольфрам-титановым анодом. Определена зависимость количества термоциклов до разрушения анодов от усредненной по времени входной мощности, подаваемой на рентгеновскую трубку.

3. Разработана математическая модель зависимости физической площади поверхности фокусного пятна от микрорельефа.

4. Исследован процесс обработки рабочей поверхности анодного диска с использованием различных технологий получения микрорельефа, в том числе влияние обработки методом лазерной абляции вольфрамового слоя анода на мощность дозы РТ.

5. Разработана технология создания микроструктур на поверхности вольфрамовой мишени методом лазерной абляции в жидкости.

6. Исследована зависимость стабильности анодного тока и анодного напряжения от конструкции узла вращения и собственных частот колебаний рентгеновской трубки.

7. Разработана технология создания плоских термоавтоэмиссионных эмиттеров с пониженной температурой накала и увеличенным ресурсом, а также имеющих малую инерционность.

8. Исследованы режимы термоавтоэмиссии плоских поликристаллических эмиттеров рентгеновской трубки.

Практическая значимость работы

1. Двухслойные вольфрам-титановые мишени имеют уменьшенную в 1,5 раза трудоемкость изготовления по сравнению с мишенями, изготовленными традиционными способами, такими как металлопорошковое спекание или водородное восстановление гексафторидов вольфрама. Срок службы вольфрам-титанового анода сопоставим с мишенями, изготовленными другими методами.

2. Разработана и внедрена в производство методика диагностики качества узла вращения по спектру виброперемещений.

3. Исследована и рекомендована модель узла вращения анода, обеспечивающая назначенный ресурс рентгеновской трубки, работающей в режиме максимальных тепловых нагрузок сканирующего аппарата.

4. Введение подпружиненного вращающегося контакта, изготовленного из порошковой композиции на основе системы серебро-кобальт-дисульфид молибдена, в конструкцию узла вращения обеспечивает надежный электрический контакт в цепи анод - токовая клемма при эксплуатации РТ с частотой вращения анода 50 Гц.

5. Разработана конструкция двухфокусной катодной головки для рентгеновской трубки высокого разрешения со сводимыми в одну точку электронными пучками.

6. Разработана методика изготовления наноструктурированных термоавтоэмиссионных эмиттеров для рентгеновских трубок, работающих в режиме высокой готовности.

7. Разработана методика измерения размеров фокусного пятна.

Апробация работы и публикации

Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на 1 0-ой Международной конференции "Электрические контакты и электроды", ЭК- 2011, Кацивели. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них 3 статьи в научно-технических журналах, включенных в перечень ВАК, и тезисы доклада на Международной конференции "Электрические контакты и электроды", ЭК - 2011. Личное участие автора в указанных работах выразилось в определении цели, разработке методов исследования, проведении экспериментов, анализе и обобщении результатов, формулировании выводов.

Реализация работы в промышленности

Разработанные на базе проведенных исследований конструкции и технологии внедрены в производство РТ на предприятии ЗАО «РЕНТГЕНПРОМ». Они используются при изготовлении РТ с вращающимся анодом: 2,5-30 РТ-«РП» 1-125, 15-30 РТ-«РП» 2-125, 2,5-15 РТ-«РП» 5-125, 25-50 РТ-«РП» 4-125, выпускаемых в количествах порядка 300 единиц в год.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 62 наименований. Основная часть работы изложена на 137 страницах машинописного текста. Работа содержит 75 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность проблемы, цель работы и определены основные научно-технические задачи, решаемые в диссертации, обоснована научная новизна, практическая значимость работы, а также научные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ РТ, применяемых во флюорографических аппаратах, и сформулированы задачи, которые необходимо решить при разработке РТ для сканирующего рентгеновского аппарата. Анализ показал, что наиболее распространенные типы конструкций РТ в настоящий момент исчерпали ресурс-1 для повышения мощности и дальнейших модернизаций, связанных с их применением в сканирующих аппаратах нового поколения.

За последнее десятилетие в практику медицинских учреждений прочно вошли методы сканирующих исследований. Эти методы связаны с увеличением длительности экспозиции и уменьшением фокусного пятна, что повышает требования к способности анода воспринимать значительную тепловую нагрузку с высоким значением отводимой тепловой мощности, увеличением частоты вращения анода и стабильным пространственным разрешением РТ, позволяющим получать качественные снимки. Ранее разработанные типы РТ, изначально предназначавшиеся для работы в режиме короткого снимка, обладают рядом существенных ограничений, которые не позволяют поднять мощность при снимке до требуемых значений.

Проведенный анализ применяемых конструкций анодных дисков показал, что многим анодам свойственны недостатки, такие как высокая плотность материалов, применяемых при их производстве, что увеличивает массу анода и нагрузку на опору вращения или повышенное содержание газообразующих примесей в аноде, что создает проблему поддержания высокого вакуума в РТ при длительной эксплуатации. Существующие технологии производства анодных дисков характеризуются сложностью производства, его длительностью и высокой себестоимостью.

Сделан вывод о том, что перспективным направлением в решении обозначенных проблем является применение титана в качестве материала подложки анода, что позволит снизить стоимость готового анода, уменьшить нагрузку на узел вращения и уменьшить давление остаточных газов в РТ за счет высокой геттерной активности титана.

Для РТ аппаратов сканирующего типа важным показателем является частота вращения анодного диска, во многом определяющая нагрузочную способность РТ. РТ отечественных производителей работают с частотой вращения анодного диска 50 Гц, что не позволяет проводить серию снимков с входной мощности анодного диска 5 кВт при длительной экспозиции в режиме скринингового обследования с минимальной паузой между снимками. Сделан вывод о необходимости проведения исследований, направленных на определение конструкции узла вращения.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена исследованию тепловых процессов в РТ с вращающимся композиционным вольфрам-титановым анодом при кратковременных и длительных нагрузках; исследованию влияния степени черноты поверхности титана на максимальную температуру анодного диска; сравнительному анализу температурных полей при эксплуатации двух анодов: на титановой и молибденовой подложках; расчету внутренних напряжений и анализу разрушения анода переменной нагрузкой.

Расчет температуры и накопленной тепловой энергии анода для кратковременных нагрузок, характерных для снимочных аппаратов, произведен с учетом ограничений, накладываемых моделью, используемой при расчетах. Модель представляет собой титановый корпус диаметром 96 мм, в верхней части которого расположено кольцо поликристаллической вольфрамовой мишени. Радиальная ширина кольца 8 мм, глубина (по вертикали) 2 мм. Вольфрамовое кольцо при осевом вращении анода с частотой 3000 об/мин бомбардируется электронами. Тепловыделение происходит на поверхностном сегменте вольфрама (фокусном пятне) с шириной по окружности 1.2 мм, вдоль радиального направления 8 мм и глубиной 15 микрон. Глубина тепловыделения взята из расчетных зависимостей от напряжения в РТ глубины мгновенного тепловыделения при бомбардировке электронами вольфрамового и молибденового анодов.

Расчет проводился для двух режимов нагружения табл.1 при следующих параметрах работы РТ. Обозначения: и -анодное напряжение, I - анодный ток, I/ - время нагрева, /_> - время охлаждения, Р - мгновенная входная

мощность при нагреве, < Р > - усредненная по времени нагрева и охлаждения входная мощность, V - частота вращения анода.

и (кВ) I (мА) ¡1 (сек) ь (сек) Р (кВт) <Р> (кВт) (Гц)

Режим 1 ПО 160 0.125 60 17.6 0.037 50

Режим 2 100 100 1.0 60 10 0.164 50

Для решения тепловой задачи использовались:

- уравнение теплопроводности Фурье - перенос тепла внутри материала анода

. эт , (д2т э2т д2т\ ар

- закон Стефана-Больцмана - теплообмен излучением через поверхность анода

ар _ лг ~~

а ■

(1)

(2)

где Т - температура в градусах Кельвина, I - время, ^ - коэффициент теплопроводности, (IV - элемент объема, (¡Б - элемент площади поверхности материала, <1Р - тепловая мощность (Вт), выделяемая внутри элемента объема, либо снимаемая с элемента площади поверхности материала, С, р -теплоемкость и плотность материала, е - коэффициент черноты поверхности материма, а = 5.67x10 — 8(Вт/м2 ■ К4) - постоянная Стефана-Больцмана.

Выполненный расчет показал, что анод представленной конструкции при всех заданных условиях способен нормально функционировать к режиме снимков без превышения температурой критических значений.

В целях определения возможности применения РТ с композиционным вольфрам-титановым анодом в качестве источника рентгеновского излучения в аппаратах сканирующего типа, был выполнен расчет максимальной температуры анодного диска при выполнении снимков различной длительности и мощности электронного потока. Поскольку максимальная температура анода в области высаживания электронного пучка зависит от площади фокусного пятна и от скорости вращения анода, расчет режимов работы РТ был произведен для фокусных пятен размером 0,3x0,3 мм, 0,4x0,4 мм и 0,6x0,6 мм, при скоростях вращения 3000 и 9000 об/мин.

Расчет был проведен на ЭВМ методом конечных элементов для конструкции анодного диска, описанной выше. При определении температуры фокусного пятна предполагалось, что 30% первичных электронов отражаются ог поверхности мишени и тем самым уменьшают падающий тепловой поток до 70% от первоначального. При определении средней температуры анода считалось, что все отраженные электроны возвращаются на анод. При расчетах предполагалось, что степень черноты внутренней поверхности трубки равна 0,8, степень черноты поверхности ротора 0,6, а температура масла, охлаждающего трубку, составляет 80°С. Угол наклона мишени к оси РТ был выбран равным 76°, а угол наклона

катода к оси трубки - 0°. Средний радиус фокусной дорожки составляет 33 мм.

Максимальную температуру на фокусном пятне определяли следующим образом

Тшах= Т0+Тср(1) + Тфп, (3)

где Т0 - начальная температура анода, Тср - средняя температура фокусной дорожки, зависящая от времени экспозиции, т.е. времени воздействия электронного пучка на поверхность анода, ТфП - температура при очень короткой выдержке, устанавливающаяся на фокусном пятне за время, приблизительно равном времени перемещения электронного пучка по фокусной дорожке на ширину фокусного пятна. На поверхности анода значение ТфГ| имеет наибольшее значение, которое уменьшается по мере проникновения температурного поля в тело анода.

Нагрузочная способность РТ определяется мощностью трубки и временем экспозиции, при которых максимальная температура анода достигает своего предельного допустимого значения. (В качестве такой температуры выбрана температура рекристаллизации материала мишени, равная 2800°С).

Из результатов расчета следует, что при времени экспозиции превышающем 20000 сек. мощность электронного потока определяется материалом подложки, имеющим температуру плавления ~ 1700°С. При радиусе фокусной дорожки равном 33 мм, эффективном размере фокусного пятна, равном 0,3x0,3 мм, скорости вращения анода 2800 об/мин и мощности 5 кВт температура фокусного пятна превышает 2800°С, а при скорости вращения анода 9000 об/мин и том же фокусе и мощности, температура не превышает допустимого значения.

Проведенные исследования зависимости работоспособности РТ от параметров нагружения показывают хорошее соответствие полученных результатов расчетным.

Таким образом, возникает необходимость в подборе оптимального соотношения между площадью фокусного пятна, диаметром анодного диска, скоростью вращения анода и достаточным пространственным разрешением аппарата заданного типа, которое обеспечивается, в первую очередь, шириной фокусного пятна.

В связи с тем, что степень черноты титана имеет различные значения, зависящие от состояния его поверхности, был выполнен расчет, направленный на определение влияния степени черноты на максимальную температуру анодного диска. Результат расчета показал, что увеличение степени черноты поверхности титана приводит к значительному снижению температуры анодного диска в процессе эксплуатации, за счет увеличенной скорости отвода тепла излучением.

Для определения возможности применения титана в качестве материала подложки анодного диска был выполнен расчет температуры фокусной

Ю

дорожки и скорости охлаждения анода для двух анодов, на титановой и молибденовой подложке соответственно.

Анализ результатов расчета показал, что при длительной эксплуатации анода (до квазистационарной температуры при термоциклировании, то есть, когда температура в последующем цикле нагрев - охлаждение не отличалась от температуры в предыдущем цикле) во всех приведенных режимах максимальная температура фокусной дорожки молибденового анода выше соответствующей температуры анода тех же габаритных размеров с титановой подложкой и слоем вольфрамовой мишени в 2 мм.

За счет большей степени черноты титана, охлаждение анода с титановой подложкой происходит более интенсивно, чем молибденового анода. Поэтому при длительной эксплуатации анодов (более 10 циклов) анод с титановой подложкой имеет меньшую температуру, чем молибденовый анод.

Проведенный анализ показал, что во всех режимах эксплуатации анодов, анод с титановой подложкой может иметь те же габаритные размеры, что и молибденовый анод. Максимальная температура фокусной дорожки анода, его средняя температура, а также температура оси вращения анодов в случае анода с титановой подложкой ниже соответствующих температур для молибденового анода.

Поскольку после диффузионной сварки, при остывании до комнатной температуры, в аноде появляются внутренние напряжения, обусловленные различием коэффициентов линейного теплового расширения титана и вольфрама, был выполнен расчет, направленный на определения внутренних напряжений в аноде.

Зависимость модуля упругости Е от температуры Т описана формулой

Е = (Тег - ТУ, (4)

где То- - температура критического состояния металла, у - константа. Та и у выбираются в зависимости от используемого металла. Температуры в формуле (4) выражены в градусах Кельвина.

Для расчета напряжений в аноде были применены формулы Ламе, описывающие для плоского напряженного состояния зависимость от радиуса г радиального аг и окружного а( напряжений в толстостенном цилиндре с внутренним и наружным радиусами г: и г2.

^ = Ь • -- • С1 -Й)+^■ (Й-(5>

В этих формулах Р| - избыточное (над атмосферным) давление на внутреннюю поверхность цилиндра, Р2 - избыточное (над атмосферным) давление на внешнюю поверхность.

Для вычисления радиальных и окружных напряжений в титане и вольфраме уравнения Ламе приобретают следующий вид:

Относительные окружные деформации, обусловленные действием давления Р2, составляют

(8)

р2 Ел рг Ew' W

ETi и Ew модули упругости титана и вольфрама при 20°С. Относительные окружные деформации, вызванные остыванием титана и вольфрама от Т|=900°С+273°=1173°К до Т2=20°С+273°=293°К, составляют е" = кп ■ ^ T067dT = -0.014, e? = kw- T067dT = -0.007, (9) Из решения уравнения

2пгг • (1 + гр)(1 + е") = 2пгг ■ (1 + )(1 + е%), (10)

означающего равенство периметров окружностей титана и вольфрама по радиусу г2 после совместного воздействия температуры и контактного давления, получаем выражение для величины возникшего контактного давления Р2

Р2 = _(£}Г _ ер)--jig*»-^ (11)

r2~rl 2 1

Численные значения Р2 составляют: в верхнем сечснии Р2= - 0.30 ГПа в серединном Р2= - 0.26 ГПа.

Расчеты показывают, что максимальные значения радиального напряжения в титане н вольфраме ниже максимальных значений окружного напряжения. Такое соотношение между максимальными значениями радиального и окружного напряжений, как показывают расчеты, сохраняется при любых температурах анода.

Предел прочности на разрыв также как и модуль упругости, падает с ростом температуры. При этом значения пределов прочности различны в зависимости от марок вольфрама и титана. Значения пределов прочности хорошо описываются» экспоненциальной зависимостью от абсолютной температуры

<jts = А ■ ехр{-В • Т}, (12)

Значения параметров А и В составляют: для вольфрама А=6.11 ГПа, В=0.0019 К'1 для титана А=1.40 ГПа, В=0.00046 К"'.

В реальной ситуации средние температуры титана и вольфрама имеют большие отклонения друг от друга. Расчет максимальных окружных напряжений показывает, что для обоих режимов работы в титане действуют положительные окружные напряжения растяжения, в вольфраме отрицательные окружные напряжения сжатия. Максимальное окружное напряжение растяжения в титане для обоих режимов работы табл. 1 выходит на величину порядка 0.3-Ю.4 ГПа. Это напряжение для первого режима работы (средняя температура титана 550°С) примерно в 2.5 раза ниже предела прочности на разрыв, для второго режима работы (средняя температура титана 910°С) примерно в 2 раза ниже предела прочности на разрыв.

Таким образом, в вольфраме при обоих режимах работы действует окружное напряжение сжатия. В титане действует окружное напряжение растяжения, величина которого с фактором 2^-2.5 ниже предела прочности на разрыв. Поэтому, разрушение анода на первых нескольких десятках циклов при заданных режимах работы маловероятно.

Разрушение анода возможно вследствие многократного воздействия переменных динамических напряжений, величина которых в каждом термоцикле варьируется относительно средней величины < а > с амплитудой атах. В дисциплине "Сопротивление материалов" срок службы объекта -количество N циклов воздействия напряжения с амплитудой отах до полного разрушения объекта - описывается (за несколькими модификациями) кривой усталости Веллера

С (13)

"тах мт>

связывающей амплитуду переменной нагрузки итах с количеством циклов N до полного разрушения объекта под действием этой нагрузки. Константа С и показатель степени т определяются эмпирически для каждого металла. Функциональная связь амплитуды напряжений с количеством циклов до разрушения вольфрама определяется рассчитанным выражением:

__ 0.07895-Е

атах ~ д,о.4а ' ' '

Е - модуль упругости вольфрама при заданной температуре.

Модули упругости вольфрама Е для каждого значения усредненной температуры вычислены по формуле (4). Для каждого режима работы определено ожидаемое количество циклов до полного разрушения вольфрама. Для первого режима работы это количество циклов составляет порядка 30000, для второго порядка 2000. Исхода из расчетных данных для рассмотренных режимов работы, количество термоциклов N до разрушения анода может быть представлено следующей степенной функцией от усредненной входной мощности < Р > (кВт)

Максимальные силы отрыва вольфрамового кольца от титанового корпуса, действующие по нормали к поверхности контакта вольфрама с титаном, составляют для первого режима работы 4.22 кг/мм2, для второго режима 4.74 кг/мм2. Суммарные отрывающие силы, действующие по нормали к поверхности по всей площади кольца, составляют тонны.

Учитывая то, что суммарная циклирующая сила (окружная сила сжатия плюс отрывающая по нормали к поверхности сила), действующая на вочьфрам, стремится оторвать вольфрамовое кольцо от титана, результатом разрушения будет либо выпучивание вольфрамового кольца в каком-либо

месте, либо разлом (но не разрыв) вольфрамового кольца под действием циклических нагрузок.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена разработке технологии производства композиционного анода на титановой подложке и исследованию влияния обработки рабочей поверхности анода на характеристики рентгеновской трубки.

В качестве возможных способов для производства композиционного анода, состоящего из титановой основы и мишени из поликристаллического вольфрама, были рассмотрены следующие методы:

1. Плазменное напыление вольфрамового порошка на титановую подложку.

2. Детонационное покрытие титановой подложки вольфрамом.

3. Диффузионная сварка кольца из вольфрама с титановой подложкой.

Плазменное напыление представляет собой нанесения вольфрамового покрытия на поверхность титановой подложки с помощью плазменной струи. Сущность метода заключается в том, что в плазменную струю подаётся порошок вольфрама, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью титановой основы и формируется покрытие.

Металлографическое исследование, проведенное для образца, полученного методом плазменного напыления, показало, что соединение характеризуется хорошей адгезией, чистотой, плотностью покрытия и соответственно низкой пористостью. Также технология плазменного напыления является высокопроизводительной и хорошо освоена промышленностью. Однако существенный недостаток данной технологии заключается в низком коэффициенте использования порошка вольфрама -около 20 %.

В основе метода детонационного напыления вольфрама на титановую подложку лежит принцип нагрева напыляемого порошка с последующим его ускорением и переносом на подложку с помощью продуктов детонации. При детонационном напылении для нагрева и ускорения вольфрама используется энергия продуктов детонации газокислородного топлива.

Напыление вольфрамового порошка подобным способом является более экономичным из-за дискретного характера процесса. Однако дискретность снижает производительность данного метода по сравнению с плазменным напылением. Для данного метода также характерен низкий коэффициент использования порошка вольфрама, кроме того при нанесении вольфрамового покрытия на поверхность титана, детонационной мощности потока используемой установки оказалось недостаточно для получения соединения удовлетворительного качества.

В качестве оптимального метода, на основе которого разработана технология производства композиционного анода, была выбрана диффузионная сварка. Соединение образуется вследствие возникновения связей на атомном уровне, появляющихся в результате максимального

сближения контактных поверхностей за счет локальной пластической деформации при повышенной температуре, обеспечивающей взаимную диффузию в поверхностных слоях соединяемых материалов.

Для получения анодного диска методом диффузионной сварки разработан технологический процесс производства и приведены обоснования выбора методов и режимов предварительной обработки заготовок. Результаты рентгеноструктурного анализа, подтверждают наличие процессов взаимной диффузии протекающих во время сварки между материалами композиционного анода.

В главе также приведены результаты исследования направленного на определение влияния вида обработки эмитирующего слоя на мощность дозы РТ, что в конечном итоге приводит к повышению нагрузочной способности РТ с вращающимся анодом. Количество квантов рентгеновского излучения, а соответственно и мощность дозы РТ зависят от величины физической площади поверхности, на которую падает пучок электронов. В данном случае под физической площадью подразумевается площадь поверхности с учетом ее микрорельефа. Поскольку в современных РТ геометрический размер области анода, на которую падает пучок электронов, является строго ограниченным, увеличение площади ее поверхности представляется возможным посредством развития микрорельефа. Таким образом, была выдвинута гипотеза о зависимости мощности дозы РТ от качества и способа обработки вольфрамового слоя анодного диска.

Для проверки этого предположения были выполнены работы по определению влияния обработки рабочей поверхности анода на мощность дозы рентгеновских трубок. Для определения оптимального размера микронеровностей на рабочей поверхности анодного диска была предложена следующая математическая модель. В ее основе лежит допущение, согласно которому неровности на рабочей поверхности представляют собой полусферы одного радиуса, равноудаленные друг от друга на расстояние соответствующее диаметру сферы. По полученной модели можно оценить влияние размера микронеровностей рабочей поверхности на ее фактическую площадь, что позволит выбрать оптимальный размер микроструктур (рис.1). Площадь поверхности вычисляется из системы уравнений:

'5-^ = а2 -пхпхг2 + пх2пхгг = а2 +пхлхг2

Радиус микронеровностей, мм Рис. I. Зависимость физической площади поверхности от радиуса микронеровностей

Согласно результатам работы была экспериментально подтверждена зависимость мощности дозы рентгеновской трубки от величины микронеровностей на рабочей поверхности анода и от характера их распределения (рис.2). В качестве оптимального способа обработки поверхности вольфрамовой мишени был выбран метод лазерной абляции в жидкости.

Средний ралиус микроисровностей на юз т ш юооа

поверхности мишени, мм м, количество циклов

Рис.3. Зависимость мощности дозы от Рис.2. Зависимость мощности дозы Р'Г от количества циклов работы рентгеновской величины микронеровностей на трубки. 1-шлифованный анод; 2-поверхности вольфрамовой мишени обработанный методом лазерной абляции;

1а=15тА; иа=100кУ

Механизм образования микроструктур на рабочей поверхности связан с фазовым переходом в жидкости, граничащей с расплавом на поверхности мишени. При достаточно большой плотности лазерной энергии происходит плавление поверхностного слоя мишени, являющегося твердым при комнатной температуре. Окружающая мишень среда, жидкая при нормальных условиях, переходит при этом в газообразное состояние. При достаточно малой длительности лазерного импульса одновременно с перегретой жидкостью вблизи мишени некоторое время существует также

область повышенного давления, так, что параметры вещества, прилегающего к мишени, могут становиться сверхкритическими. Волна давления взаимодействует со слоем расплава на поверхности мишени и вызывает его пространственное перераспределение. Обработка вольфрама данным методом способствует уплотнению поверхностного слоя, что приводит к увеличению ресурса анодного диска (рис.3).

В результате обработки мишени данным методом микронеровности имеют сферическую форму со сглаженными краями и равномерно распределены по поверхности образца (рис.4). Размеры микронеровностей составляют 0,45±0,1 мкм. Физическая площадь полученной поверхности увеличилась на 33% относительно шлифованного образца, а мощность дозы на 35% относительно необработанного анода, что является максимальным показателем среди исследованных образцов.

а

б

Рис.4. Структура поверхности вольфрамовой мишени, а - оез обработки; б -обработанная методом лазерной абляции в жидкости.

Согласно математической модели дальнейшее уменьшение размеров микронеровностей нецелесообразно, поскольку оно не обеспечит значительного прироста физической площади. Кроме того создание меньших по размеру неровностей на поверхности вольфрама не обеспечит достаточной толщины уплотненного поверхностного слоя, что может привести к ускоренной эрозии микроструктур.

Таким образом, был определен оптимальный размер микронеровностей на рабочей поверхности вращающегося анода в диапазоне от 0,35 до 0,55 мкм, при условии равномерного распределения, и технология их получения, включающая предварительное шлифование поверхности вольфрама и последующую обработку методом лазерной абляции в жидкости.

ЧЕТВЁРТАЯ ГЛАВА посвящена катодному узлу. Одним из конструктивных параметров, непосредственно влияющих на нагрузочную способность РТ, является размер фокусного пятна. ГОСТом Р МЭК 60336-99, регламентирующим указанный параметр, определяются допуски на ширину и длину фокусных пятен различных номиналов. Так для фокусного пятна 0,3x0,3 мм допускается увеличение его ширины до 0,45 мм. Прй' оценке разницы в удельной тепловой нагрузке на мишень анода между фокусным пятном номинальной площади и площади, соответствующей наибольшему

предельном отклонению, получаем величину в 50%. Столь существенный резерв увеличения мощности рентгеновской трубки может быть использован лишь при условии, что пространственное разрешение, получаемое с ее помощью, будет соответствовать техническим требованиям на аппарат в целом. Это, в свою очередь, ставит задачу воспроизводства и контроля указанного параметра для каждого выпускаемого изделия в достаточно жестких пределах. Для решения поставленной задачи, было выбрано три направления:

- первое - разработка конструктивного решения катодной головки, обеспечивающего заявленные размеры фокусного пятна;

- второе - создание методики и стендового оборудования, позволяющих выполнять 100% контроль заявленного параметра;

- третье - разработка и внедрение плоского поликристаллического вольфрамового эмиттера, обеспечивающего высокую точность электростатической фокусировки и воспроизводимость размеров фокусного пятна.

В результате патентного поиска и анализа литературы, было определено, что производителями и разработчиками рентгеновских трубок используются двухфокусные катодные головки с электростатической фокусировкой электронного пучка. В некоторых исполнениях используется электрод смещения, на который подается потенциал, как правило, от 0 до 400В, позволяющий изменять ширину фокусного пятна или выполнять последовательные снимки различной скважности, в зависимости от целей медицинского обследования. Эмиттер традиционно выполняется в виде вольфрамовой спирали с изменяющимися геометрическими размерами, что обусловлено отработанностью технологии и наличием значительного количества действующих аппаратов с уже имеющимися схемными решениями и взаимосвязью отдельных функциональных блоков и питающих устройств.

Были выполнены расчеты по нахождению оптимальной конструкции катодной головки для получения фокусного пятна различной ширины. При этом было установлено, что наибольшим влиянием на ширину фокусного пятна обладает параметр глубины выставления эмиттера внутри катодной чашки. Расчетным путем была произведена оценка влияния на размеры фокусного пятна неточности выставления эмиттера в плоскости фокусирующей чашки. Выявлено, что наклон рабочей плоскости эмиттера уже в 5 градусов приводит к резкой неравномерности распределения электронов в области фокусного пятна и изменению его границ (рис.5).

При разработке катодной головки была учтена возможность сведения электронных пучков от двух эмиттеров в одну точку, что может быть использовано для увеличения надежности рентгеновской трубки при монтаже двух эмиттеров одного номинала размера фокусного пятна или в иных специальных применениях. Прямые измерения размеров фокусных пятен, произведенные по описанной ниже методике, показали достаточную

для серийного производства точность повторяемости ширины фокусного пятна в диапазоне от 0,4 до 0,45 мм. В составе сканирующего флюорографа было обеспечено пространственное разрешение 3,2 пар линий на мм при дозе в плоскости приемника 400 мкР, что подтверждает правильность методики измерений размеров фокусного пятна и разработанную конструкцию катодной головки.

Х(св0 ,

*'ге5 ^¡срс +5* (зегщсЗоиЫе X ге*е<5е)

Х(ст)

«¡гег э1оре - ■? (мтИоиЫ» X ее^гп»)

*(от)

Рис.5. Влияние неточности выставления эмиттера в плоскости фокусирующей чашки на размер и форму фокусного пятна

В целях технологического контроля был разработан стенд измерения размеров фокусного пятна и определена методика измерений. В основу методики были положены требования ГОСТ Р МЭК 60336-99. Взаимное расположение щелевой камеры, изготовленной из тантала, фокусного пятна и приемника изображения обеспечивает коэффициент увеличения в 4,1 раза. Приемником изображения служит ПЗС матрица, на которую световой сигнал через объектив поступает с флуоресцентного экрана. Изображение передается на дисплей ПК, где стандартная программа обработки изображения позволяет измерить размеры фокусного пятна по каждому направлению. Спектр изображения представлен в виде гистограмм. Ширина изображения фокусного пятна измеряется как полная ширина пика отсчетов на половине его высоты. Таким образом, для оценки размера фокусного пятна достаточно установить рентгеновскую трубку в защитный бокс, произвести коммутацию проводов и выполнить снимок с обработкой и занесением в архив. Точность и повторяемость условий съемки обеспечена жесткой геометрической конструкцией стенда и способом крепления в нем рентгеновской трубки. В настоящее время стенд внедрен в технологию изготовления рентгеновской трубки в качестве средства выходного контроля при производстве.

Задача обеспечения постоянства рентгенооптических характеристик рентгеновской трубки во многом обеспечивается качеством сборки катодных головок и, в частности, точностью выставления эмиттера в фокусирующей щели. Ранее было показано влияние погрешностей сборки на форму и размеры фокусного пятна. Ведущими производителями рентгеновских трубок декларируется точность позиционирования эмиттера в 10 микрон. При этом после окончательной установки эмиттера производится водородный отжиг, окончательно фиксирующий форму спирали накала. В последнее время в специальной литературе появилось достаточное количество сообщений о положительном опыте изготовления и применения плоских вольфрамовых эмиттеров.

а б в

Рис.6. Снимок вольфрамового катода полученный на растровом электронном микроскопе: а- общий вид; б- двумерная матрица полученная для двух экспозиций лазера в среде этанола при повороте образца на 90°, вид сверху; с-вид под углом 25е

Авторами предлагаются различные материалы и способы модификации поверхности эмиттеров для улучшения эмиссионных свойств, а также увеличения их ресурса. Из опыта применения плоских эмиттеров в рентгеновских трубках, можно также отметить исключительную простоту и воспроизводимость их монтажа в катодную головку, что является важным преимуществом для серийного производства.

Проведены исследования по изменению эмиссионных свойств плоских вольфрамовых эмиттеров за счет наноструктурной модификации поверхности методом лазерной абляции в жидкости (рис.6.) В результате были получены образцы эмиттеров, применяемых в катодных головках на фокус размером 0,3 мм, обладающие поверхностью со сформированными структурами размерами от 150 до 300 нанометров. Исследование эмиссионных свойств показало уменьшение работы выхода электрона с 4,5 эВ до 4,2 эВ, что эквивалентно снижению температуры нагрева эмитгера на 200С. Полученные структуры стабильны и позволяют производить весь комплекс подготовительных работ, включая высокотемпературный вакуумный отжиг. Результаты этих исследований могут быть рекомендованы для разработки эмиттеров наиболее нагруженных рентгеновских трубок, в том числе и компьютерной томографии.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена узлу вращения анодного диска, определяющего нагрузочную способность рентгеновской трубки. Тепловая энергия взаимодействия электронного пучка с материалом мишени проникает в вольфрамовую мишень на определенную глубину от поверхности. Эта глубина зависит от значения ускоряющего напряжения и лежит в пределах от 10 до 40 микрон. Из-за наличия поверхности раздела поверхность-вакуум, скорость распространения выделившегося тепла неодинакова по направлениям. Так максимальная температура в точках фокусной дорожки достигается в момент прохождения этими точками действительного фокуса. Так как температура приповерхностного слоя вольфрама при этом резко возрастает, то за счет термического расширения возникают значительные напряжения, направленные на отрыв верхнего слоя композиционного анода от материала подложки. Достижение вольфрамом в области фокусного пятна температуры рекристаллизации приводит к интенсивному росту зерна, изменению структуры поверхности и ускоренному износу мишени. В силу указанных причпн, в рентгеновской трубке должны быть реализованы меры, направленные на снижение температуры мишени в области фокусного пятна. Одной из таких мер является увеличение скорости вращения анода с 3000 об/мин. до 9000 об/мин., что позволит сократить время воздействия пучка электронов на точки фокусной дорожки в момент прохождения ими действительного фокуса.

Для решения поставленной задачи была исследована возможность применения специально разработанных радиальных подшипников, традиционно применяемых в диагностических РТ и работающих на скоростях до 3000 об/мин, в качестве опор вращения для высокоскоростных РТ. Указанные тип подшипников с сухой смазкой в виде дисульфида молибдена и гальванически нанесенного серебра, имеет конструктивно назначенный радиальный зазор до 40 микрон, обусловленный необходимостью компенсации температурных расширений деталей узла вращения. Увеличение радиального зазора неизбежно вызывает возникновение микроразрядов в анодной цепи, связанных с отрыванием тел качения от беговых дорожек обоймы. Это также является причиной ускоренного износа подшипников и источником повышенного шума. Для аппаратов сканирующего тина, возникновение мнкроразряда в анодной цепи является причиной помехи, вызывающей срыв в подаче высокого напряжения и, в конечном итоге, приводит к некачественному снимку. Для решения этой проблемы возникает необходимость установки дополнительного скользящего контакта, гарантирующего неразрывность электрической цепи анода при любых условиях. При этом необходимо обеспечить минимальный коэффициент- трения.

По результатам исследования различных материалов м конструкций электрических контактов был выбран контакт, полученный методом порошкового спекания серебра с дисульфидом молибдена и кобальтом.

Расчеты и эксперимент показали высокую износостойкость и низкий коэффициент трения. В дальнейшем это техническое решение было внедрено в конструкцию РТ, работающих на скорости вращения 3000 об/мин.

Частота, Гц

Рис.7. Вибрационные характеристики опор вращения

Для изучения характеристик узлов вращения, а также проверки динамического дисбаланса, был спроектирован и изготовлен стенд исследования вибрационных характеристик РТ. Исследование виброхарактеристик позволило определить диапазоны собственных частот колебаний РТ различного типа, а также оценить приемлемость тех или иных конструктивных решений узла вращения. Была установлена принципиальная невозможность длительной работы упомянутых выше радиальных подшипников на частотах выше 50 Гц Образец 1 (Рис.7). Изучение спектров виброскоростей и амплитуд виброперемещений показывает наличие резонансных пиков на частотах от 60 до 70 Гц, что связано с отсутствием достаточной механической жесткости конструкции. Также был выполнен анализ производимых подшипниковых систем РТ. Выбор конструкции узла вращения анода был обусловлен следующими факторами:

- способность сохранять работоспособность в течение назначенного ресурса РТ;

- низкий уровень шума;

- отсутствие резонанса собственных колебаний на рабочей частоте;

- возможность создания предварительного натяга подшипников для компенсации гироскопического момента, возникающего в телах качения.

На основании исследований (рис.7), произведенных согласно перечисленным требованиям, была выбрана и рекомендована к применению в качестве узла вращения подшипниковая система (рис.8) радиально-упорного типа и оптимальная величина предварительного нагружения.

Рис.8. Подшипниковая система радиально-упорного типа

Радиально-упорные подшипники способны воспринимать значительные нагрузки, а предварительное нагружение гарантирует надежный электрический контакт в анодной цепи.

В результате проделанной работы была разработана и поставлена в производство РТ повышенной мощности для сканирующих рентгеновских аппаратов (рис.9).

Рис.9. Рентгеновская трубка для аппарата сканирующего типа

Основные выводы и результаты.

Основным итогом диссертационной работы явилось решение актуальной научной задачи - исследование, разработка и внедрение конструкторских и технологических решений в производство рентгеновских трубок. В ней изложены научно обоснованные технические решения и технологические разработки, послужившие основой для создания рентгеновских трубок, работающих в условиях повышенных тепловых нагрузок, характерных для аппаратов сканирующего типа.

Основные результаты работы более детально могут быть сформулированы следующим образом.

1. Осуществлен анализ тепловых процессов в рентгеновских трубках с композиционным анодом при кратковременных и длительных

23

нагрузках. Определена зависимость количества термоциклов до разрушения анодов от усредненной по времени входной мощности, подаваемой на рентгеновскую трубку.

2. Разработана технология производства композиционных мишеней рентгеновских трубок с вращающимся анодом методом диффузионной сварки;

3. Рекомендована обработка фокусной дорожки методом лазерной абляции в жидкости, что позволило увеличить физическую площадь рабочей поверхности анодного диска в соответствии с разработанной математической моделью и увеличить, таким образом, мощность дозы рентгеновской трубки на 35%. Обработка вольфрама методом лазерной абляции также привела к упрочнению поверхности анода.

4. Разработана технология наноструктурной модификации поверхности плоского поликристаллического вольфрамового эмиттера методом лазерной абляции в жидкости, что снизило на 0,3 эВ работу выхода электронов. Разработана двухфокусная катодная головка, обеспечивающая оптимальное пространственное разрешение для рентгеновских трубок, применяемых в сканирующих аппаратах большой мощности.

5. Разработана и поставлена на производство рентгеновская трубка повышенной мощности для сканирующих рентгеновских аппаратов

Опубликованные работы по теме диссертации.

1. Коноплев Е. Е., Столяров В. Н., Столяров И. Н. Использование новых конструкционных материалов при изготовлении вращающихся анодов диагностических рентгеновских трубок. // Медицинская техника. №5. С.6-11.(2011).

2. Буслова Е.В., Гамыгин К.А., Столяров В.Н., Столяров И.Н. Опыт применения электрических контактов космической техники при конструировании приборов медицинского назначения. // Электрические контакты и электроды. Сборник НАН Украины, 2012.

3. Столяров В.Н. Исследование влияния методов обработки рабочей поверхности композиционного анода на характеристики рентгеновской трубки. / Медицинская техника, №2,2012,(в печати).

4. E.V. Barmina; А.А. Serkov; Е. Stratakis; С. Fotakis; V.N. Stolyarov; I.N. Stolyarov; G.A. Shafeev. Nano-textured W shows improvement of thermionic emission properties. Applied Phisics A Materials Science Processing, 2012, v.106, N1, p.1-4.

5. Буслова E.B., Гамыгин K.A., Столяров B.H., Столяров И.Н. Опыт применения электрических контактов космической техники при конструировании приборов медицинского назначения. // Материалы 10-ой Международной конференции "Электрические контакты и электроды", ЭК- 2011, Кацивели. www.materials.kiev.ua

61 12=5/1651

«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ»

РОСЗ ДРАВ НАДЗОРА

На правах рукописи

Столяров Василий Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА РЕНТГЕНОВСКИХ ТРУБОК ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ ФЛЮОРОГРАФИЧЕСКИХ АППАРАТОВ СКАНИРУЮЩЕГО ТИПА

Специальность: 05.11.10. Приборы и методы для измерения ионизирующих

излучений и рентгеновские приборы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Д.т.н., профессор Н.Н. Блинов

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4 ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ РЕНТГЕНОВСКИХ ТРУБОК С

ВРАЩАЮЩИМСЯ АНОДОМ 1 о ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В РЕНТГЕНОВСКОЙ

ТРУБКЕ 20

2.1. Тепловой расчет анодного диска 20

2.2. Тепловой расчет анодного диска в режиме сканирующего снимка 30

2.3. Расчет влияния коэффициента черноты на тепловые характеристики анодного диска 36

2.4. Сравнительный анализ анода на титановой подложке с молибденовым анодом 39

2.5. Расчет внутренних напряжений анода 42 Выводы 57

ГЛАВА 3. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И

ОБРАБОТКИ КОМПОЗИЦИОННОГО АНОДА 58

3.1. Выбор способа формирования вольфрамового слоя на титановой подложке 53

3.2. Разработка технологии диффузионной сварки вольфрама с титановой подложкой 60

3.3. Исследование качества соединения диффузионной сварки 74

3.4. Исследование и отработка методов нанесения чернящих покрытий

на анод 77

3.5. Исследование влияния обработки рабочей поверхности композиционного анода на мощность дозы рентгеновского излучения 80

Выводы 92

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КАТОДНОЙ ГОЛОВКИ 93

4.1. Постановка задачи 93

4.2. Расчет конструкции катодной головки 94

4.3. Методика контроля размера фокусного пятна 110 4.4 Плоские эмиттеры с наноструктурированной поверхностью 114 ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИК УЗЛА ВРАЩЕНИЯ АНОДА РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ И ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ 119 ПОДШИПНИКОВ

5.1. Постановка задачи 119

5.2. Механизм трения в вакууме 120

5.3. Исследование влияния электрического контакта на 122 работоспособность режим работы рентгеновской трубки

5.4. Методика измерения виброхарактеристик узла вращения и выбор конструкции подшипников рентгеновской трубки 130 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 13 8

ВВЕДЕНИЕ

Показатели здоровья населения определяются множеством факторов. Важнейшим среди них является состояние медицинской помощи, в том числе, ее диагностической службы, позволяющей своевременно распознать заболевания и обеспечить своевременное адекватное лечение.

В национальном проекте «Здоровье» одно из ведущих мест занимает развитие современных рентгенорадиологических технологий, решающих проблему роста заболеваемости. Благодаря национальному проекту «Здоровье» наблюдается положительная тенденция к пополнению и переоснащению парка оборудования современной техникой. В настоящее время в лечебных учреждениях страны насчитывается более 98,2 тыс. единиц диагностического оборудования, что на 30% больше подобного показателя двадцатилетней давности.

В структуре радиологических аппаратов преобладают аппараты лучевой диагностики, около 67 тыс. аппаратов. Доля рентгеновских аппаратов составляет 36,2%. Динамика роста числа цифровых рентгеновских аппаратов за период с 2004 по 2010 гг. показывает, что число цифровых рентгеновских аппаратов выросло с 1459 в 2004 до 5309 в 2010 году. Доля цифровых флюорографов в структуре цифровых рентгеновских аппаратов в 2010 году составила 59% .

Динамика рентгеновских профилактических обследований органов грудной клетки за период с 2002 по 2010 гг. показывает, что за указанный период число рентгенологических профилактических исследований органов грудной клетки выросло на 14%, при этом число исследований на цифровых аппаратах увеличилось в 20,2 раза.

В настоящее время для скринингового обследования органов грудной

клетки распространены аппараты сканирующего типа. Данные аппараты

характеризуются значительно меньшей дозой, получаемой пациентом во

время обследования. Уменьшение дозы достигается благодаря применению

4

линейки детекторов, движущейся одновременно с тонким веерообразным пучком рентгеновского излучения по всей области снимка. Однако применение подобной конструкции существенно увеличивает время экспозиции, до 7 сек.

Для обеспечения заявленного разрешения, рентгеновская трубка сканирующего аппарата должна иметь малый размер фокусного пятня 0,3x0,3 мм. Следует также отметить, что работа аппаратов в режиме наиболее интенсивного скринингового обследования подразумевает получение снимка с высокой частотой до одного снимка в минуту. Особенности эксплуатации рентгеновских трубок в аппаратах сканирующего типа приводят к значительным тепловым нагрузкам на РТ и соответственно увеличивают частоту их выхода из строя. Так для флюорографов с пространственным разрешением снимка 1,8 пар линий на мм тепловая мощность, сообщаемая анодному диску за одну экспозицию продолжительностью 6,5 сек., составляет 16 кДж, а для аппаратов с разрешением снимка 3,2 пар линий на мм максимальная темповая мощность равна 32 кДж.

В настоящее время аппараты сканирующего типа комплектуются диагностическими рентгеновскими трубками, разработанными в первую очередь для работы в режиме короткого снимка и обладающими рядом существенных ограничений. Данные трубки удовлетворительно работают в режиме сканирующего аппарата с входной мощностью анода трубки, не превышающей 3 кВт. При эксплуатации диагностических рентгеновских трубок в более нагруженных режимах их узлы подвержены ускоренному износу и выходу из строя, вызванному недостаточной теплоемкостью анода, низкой скоростью вращения анода или повреждениями подшипников в узле вращения. Поэтому актуальным является разработка конструкторских и технологических решений, направленных на создание рентгеновских трубок

работающих в условиях повышенных тепловых нагрузок характерных для аппаратов сканирующего типа.

Ресурс работы рентгеновской трубки в аппаратах сканирующего типа для скринингового обследования должен составляет 20-30 тысяч включений. Периодичность замены трубок зависит от режима нагрузки аппарата и интенсивности его использования и колеблется от 0,5 до 2 лет. Ежегодная потребность в подобных рентгеновских трубках составляет 300-400 штук для трубок с вращающимся анодом, размером фокусного пятна 0,3x0,3 и входной мощностью анода 5 кВт, и 1000-1200 штук для трубок с вращающимся анодом, размером фокусного пятна 0,3x0,3 и входной мощностью анодного диска 2,5 кВт.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка научно-обоснованных конструкторских и технологических решений, направленных на создание рентгеновской трубки, работающей в условиях повышенных тепловых нагрузок, характерных для аппаратов сканирующего типа. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Анализ тепловых процессов в рентгеновской трубке с композиционным анодом при кратковременных и длительных нагрузках;

2. Разработка технологии производства композиционных анодов рентгеновской трубки методом диффузионной сварки;

3. Анализ внутренних напряжений и характера разрушения композиционного анода при переменной нагрузке;

4. Исследование влияния обработки эмитирующего слоя анодного диска на характеристики рентгеновской трубки и разработка технологии модификации рабочей поверхности анода с использованием метода лазерной абляции в жидкости;

5. Исследование виброхарактеристик узлов вращения рентгеновской трубки;

6. Выбор и обоснование конструкции высокоскоростного узла вращения;

б

7. Разработка двухфокусной катодной головки, оптимизированной под рентгеновскую трубку для аппаратов сканирующего типа;

8. Определение влияния наноструктурной модификации поверхности плоских вольфрамовых эмиттеров методом лазерной абляции в жидкости на их характеристики;

9. Исследование рабочих характеристик рентгеновской трубки для аппаратов сканирующего типа;

Научная новизна

1. Разработана и внедрена в производство технология изготовления мишеней рентгеновской трубки с вращающимся анодом с использованием метода диффузионной сварки.

2. Исследованы тепловые процессы в рентгеновских трубках с композиционным вольфрам-титановым анодом. Определена зависимость количества термоциклов до разрушения анодов от усредненной по времени входной мощности, подаваемой на рентгеновскую трубку.

3. Разработана математическая модель зависимости физической площади поверхности фокусного пятна от микрорельефа.

4. Разработана технология создания микроструктур на поверхности вольфрамовой мишени методом лазерной абляции в жидкости.

5. Исследован процесс обработки рабочей поверхности анодного диска с использованием различных технологий получения микрорельефа, в том числе влияние обработки методом лазерной абляции вольфрамового слоя анода.

6. Исследована зависимость стабильности анодного тока и анодного напряжения от конструкции узла вращения и собственных частот колебаний рентгеновской трубки.

7. Разработана технология создания плоских термоавтоэмиссионных эмиттеров с пониженной температурой накала и увеличенным ресурсом, а также имеющих малую инерционность.

8. Исследованы режимы термоавтоэмиссии плоских поликристаллических эмиттеров рентгеновской трубки.

Практическая значимость работы

1. Двухслойные вольфрам-титановые мишени имеют уменьшенную в 1,5 раза трудоемкость изготовления по сравнению с мишенями, изготовленными традиционными способами, такими как металлопорошковое спекание или водородное восстановление гексафторидов вольфрама. Срок службы вольфрам-титанового анода сопоставим с мишенями, изготовленными другими методами.

2. Разработана и внедрена в производство методика диагностики качества узла вращения по спектру виброперемещений.

3. Исследована и рекомендована модель узла вращения анода, обеспечивающая назначенный ресурс рентгеновской трубки, работающей в режиме максимальных тепловых нагрузок сканирующего аппарата.

4. Введение подпружиненного вращающегося контакта, изготовленного из порошковой композиции на основе системы серебро-кобальт-дисульфид молибдена, в конструкцию узла вращения обеспечивает надежный электрический контакт в цепи анод - токовая клемма при эксплуатации рентгеновских трубок с частотой вращения анода 50 Гц.

5. Разработана конструкция двухфокусной катодной головки для рентгеновской трубки высокого разрешения со сводимыми в одну точку электронными пучками.

6. Разработана методика изготовления наноструктурированных термоавтоэмиссионных эмиттеров для рентгеновских трубок, работающих в режиме высокой готовности.

7. Разработана методика измерения размеров фокусного пятна.

Апробация работы

Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на 10-ой Международной конференции "Электрические контакты и электроды", ЭК- 2011, Кацивели.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 научные работы, из них 3 статьи в научно-технических журналах, включенных в перечень ВАК, и тезисы доклада на Международной конференции "Электрические контакты и электроды", ЭК - 2011. Личное участие автора в указанных работах выразилось в определении цели, разработке методов исследования, проведении экспериментов, анализе и обобщении результатов, формулировании выводов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 62 наименований. Основная часть работы изложена на 137 страницах машинописного текста. Работа содержит 75 рисунков и 13 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ РЕНТГЕНОВСКИХ ТРУБОК С ВРАЩАЮЩИМСЯ АНОДОМ

Анализ рентгеновских трубок, применяющихся в рентгеновских аппаратах сканирующего типа, выполнен на основе публикаций в отечественных и зарубежных периодических изданиях, изучения интернет сайтов компаний, производящих рентгеновское оборудование, а также изучения патентов, соответствующих заявленной теме. Были изучены возможности применения производимых рентгеновских трубок в аппаратах указанного типа, а также индивидуальные конструктивные особенности и технические решения, направленные на повышение допустимой входной мощности.

С точки зрения уровня входной мощности, исследуемые рентгеновские трубки занимают промежуточное положение между используемыми в режиме короткого снимка, меньше секунды, и более мощными приборами, применяемыми для ангиографических исследований и компьютерной томографии. Первый из обозначенных типов рентгеновских трубок является наиболее отработанным и выпускается в достаточном объеме отечественным производителем ОАО «Светлана-Рентген». При незначительных доработках конструкции, рентгеновские трубки данного типа могут успешно использоваться в сканирующих аппаратах с требованиями по входной мощности до 2,5 кВт.

Пределы входной мощности на конкретный тип рентгеновских трубок устанавливаются в паспорте производителя, в виде графика зависимости максимально допустимого анодного тока от времени экспозиции для применяемых анодных напряжений. Как правило, указываются условия нагружения рентгеновской трубки при повторяющихся снимках, с приведением длительности паузы, позволяющей снизить температуру анода до уровня, обеспечивающего его работоспособность при следующем включении.

Необходимым параметром, позволяющим рассчитать допустимый для рентгеновской трубки режим нагружения, является теплоемкость анода. Так для наиболее близких аналогов, рентгеновской трубки ЯТМ 90 Ш теплоемкость анода составляет 225 кДж, а Е7260ЭХ соответственно 175 кДж. Приведенные значения теплоемкости обеспечиваются выбором материала и технологии изготовления анода.

Одним из крупнейших мировых производителей анодов для рентгеновских трубок является компания РЬАШЕЕ. Ежегодно этой компанией поставляется свыше 10 тысяч анодов для рентгеновских трубок. Материалом анодного диска должен быть металл с высоким порядковым номером, имеющий высокую температуру плавления и высокую теплопроводность. Всем этим требованиям соответствует вольфрам. Однако вольфраму присущи некоторые свойства, затрудняющие его применение. Он отличается высокой хрупкостью и с трудом поддается механической обработке. Высокая удельная плотность способствует увеличению механических нагрузок на подшипники. Преодолеть перечисленные недостатки помогают комбинированные аноды.

В качестве подложки, на которую наносится слой вольфрама, часто используется молибден, имеющий вдвое большую4 теплоемкость и значительно меньшую удельную плотность, при схожих значениях теплопроводности и температуропроводности. Однако, в силу различия коэффициентов термического расширения, использование молибдена в качестве подложки может привести к растрескиванию фокусной дорожки анода.

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. Иногда материал мишени наносят на подложку,

изготовленную прессованием или литьем, методом химического или

11

физического осаждения из газовой фазы тугоплавких материалов с последующим проплавлением области фокусной дорожки [1-3]. Данные технологии производства анодных дисков характеризуются сложностью производства, его длительностью и высокой себестоимостью.

При изготовлении анодных дисков указанными способами, между покрытием и подложкой получается резкая граница. Наличие пор и различных структурных дефектов на этой границе снижает ее прочность. В результате этого долговечность анода и соответственно всей рентгеновской трубки, при циклическом тепловом нагружении, связана с 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.

Современные анодные диски изготавливаются из сплава TZM ( 0,051,5% масс. Тл, до 0,5% масс.2г, 0,3% масс, углерода, остальное - молибден). В целях уменьшения внутренних температурных напряжений, авторами [1] предлагается выполнять переменное по толщине анода легирование указанными химическими элементами.

(ЛО

П9

О

во 4во «и ыл 1'оь 1сл -меоаео} шага

РШМтшюИ Г ? ;!. 5

Оргкз! тющрарЬ о/ -л ¥/ РЛШ {якгтШй?^)

Рис. 1.1. Предел прочности вольфрамового листа толщиной 1 мм в зависимости от температуры

Рис. 1.2. Фотография микрошлифа поверхности рекристаллизованного вольфрама

В трубках с вращающимся анодом фокусная дорожка подвергается экстремальным температурным нагрузкам. Мгновенная