1.3. Конструкция анодного узла.

Анод рентгеновского прибора предназначен для торможения электронов с целью получения излучения и отвода возникающего при этом тепла. Материал, из которого изготовляют анод, должен обладать высокой температурой плавления и хорошей теплопроводностью; иметь малую упругость паров при высокой температуре.

В качестве мишеней применяют различные материалы. В трубках, предназначенных для получения тормозного излучения, мишень изготовляют из вольфрама. Этот металл имеет большой атомный номер Z, что обеспечивает получение высокой интенсивности тормозного излучения. Вольфрам является самым тугоплавким после углерода элементом (его температура плавления составляет 3400°С) и отличается низкой упругостью паров при высоких температурах. Это позволяет подводить к аноду с вольфрамовой мишенью большие мощности.

При уменьшении размеров фокусного пятна допустимая удельная нагрузка возрастает: для узкого линейного пятна она выше, чем для круглого той же площади.

В большинстве современных установок для рентгенодиагностики применяют трубки с вращающимся анодом (рис.1). Электронный пучок направляют на поверхность быстро вращающейся мишени эксцентрично. Эффективное фокусное пятно при вращении анода остается в пространстве неподвижным. Мощность, подводимая к мишени, распределяется по кольцевой поверхности значительно большей площади, чем при неподвижном аноде. Мишень охлаждается лучеиспусканием. Увеличение площади, бомбардируемой электронами, позволяет повысить мощность трубки.

Рис.4. Конструкция вращающегося анода.

На рис. 4 показана конструкция вращающегося анода. Мишень 1 в виде вольфрамового диска диаметром 100 мм укреплена на валу 2, вращающемся в шарикоподшипниках 4. С валом жестко соединен массивный медный цилиндр 3, являющийся короткозамкнутым ротором асинхронного электродвигателя. Статор двигателя надевают на анодную горловину баллона трубки снаружи. Вращающееся магнитное поле статора наводит в роторе токи, при взаимодействии которых с полем возникает электромагнитный момент. Скорость вращения анода (при частоте тока статора 50 Гц) составляет 2600-2800 об/мин. Секундная мощность трубки обычно равна 15-20 кВт при размере эффективного фокусного пятна 2х2 мм. Это в 8-10 раз больше, чем у трубок с неподвижным анодом при том же размере фокусного пятна.

Коваровое кольцо 5 используется для соединения стеклянного баллона 6 с медным цилиндром 3. Ковар – сплав железа с никелем (29%) и кобальтом (17,5%), обладающий низким температурным коэффициентом линейного расширения, близким с коэффициентом линейного расширения стекла. При впайке в стекло ковар образует прочное вакуум-плотное сцепление благодаря тому, что оксидная пленка ковара хорошо смачивается стеклом.

При работе трубки в режиме больших нагрузок вольфрам нагревается до температуры 2200-2500°С и интенсивно испаряется с поверхности фокусной дорожки, которая становится неровной, шероховатой. Эти шероховатости поглощают часть рентгеновского излучения, что приводит к ослаблению интенсивности излучения. В этом заключается существенный недостаток вольфрамовой мишени.

Поиски путей увеличения мощности трубок привели к созданию анодов с утроенной скоростью вращения (8500 об/мин при частоте тока статора 150Гц), а также применению сложных мишеней вместо вольфрамовых. Сложная мишень состоит из молибденовой подложки 2, покрытой слоем вольфрама 1 с присадкой 10-15% рения. Благодаря тому, что теплоемкость молибдена примерно в два раза выше теплоемкости вольфрама, сложные мишени допускают повышенные нагрузки при повторно-кратковременном режиме работы. Присадка рения значительно увеличивает термическую стойкость мишеней и уменьшает их износ. Применение утроенной скорости вращения анодов и использование сложных мишеней позволило увеличить мощность трубок с вращающимся анодом в 2-3 раза. Технология изготовления сложных мишеней очень трудоемкая и требует дальнейшего усовершенствования.

В двухфокусных трубках с вращающимся анодом фокусные дорожки делают раздельными и располагают на конических поверхностях мишени, имеющих разный угол наклона, обычно 10 и 17,5°. Это позволяет снизить износ мишени и одновременно получить одно из эффективных фокусных пятен малых по размеру (при угле наклона 10°).

Важным элементом конструкции вращающегося анода являются шарикоподшипники. Их изготавливают из специальной жаропрочной стали, так как при работе трубки они нагреваются до высоких температур. Для уменьшения трения в подшипниках производят смазку. Обычные смазочные материалы (масла) для использования в вакууме непригодны, поэтому в целях уменьшения трения дорожку подшипников покрывают дисульфидом молибдена, а сепаратор – серебром. К хорошему результату приводит также покрытие подшипников тонкой пленкой бария, а также свинцово-графитовой смазкой. Для увеличения долговечности подшипников анод приводят во вращение непосредственно перед включением высокого напряжения. Время разгона анода обычно составляет около 1с.

В целях обеспечения стабильности положения фокусного пятна трубки в пространстве анодный узел после сборки подвергается тщательной балансировке.