Расчет электрических полей и траекторный анализ.

Последним этапом было проведение расчета электрических полей в вакуумном объеме рентгеновской трубки TFS-3007-HP, а также расчет траекторий движения электронов в межэлектродном промежутке. Полученные результаты помогут при разработке конструкции электронной оптики, разрабатываемого аналога. Ниже представлены результаты расчетов (рис. 38-39).

 

Рис. 38. Эквипотенциали в промежутке анод-катод

Рис. 39. Траектории электронов в промежутке анод-катод

Проведенный анализ рентгеновской трубки TFS-3007-HP позволил собрать большое количество информации, касающейся не только конструкции рентгеновской трубки, но и технологий, применяемых при ее изготовлении и сборке. Данная информация будет очень полезна на предприятии ЗАО «Светлана-Рентген». Она поможет рассмотреть возможность внедрения альтернативных методов обработки и соединения деталей и узлов рентгеновских трубок.

Раздел 3. Разработка рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr

Требования к разрабатываемому прибору

Разрабатываемая рентгеновская трубка должна представлять собой полностью совместимый аналог рентгеновской трубки TFS-3007-HP фирмы «TruFocus Corporation» (США) и использоваться в аппаратах ф. «Stresstech Group» (Финляндия). По этой причине необходимо чтобы все входные и выходные параметры новой рентгеновской трубки соответствовали параметрам трубки TFS-3007-HP. Ниже приведен перечень основных параметров, которым должен удовлетворять разрабатываемый прибор.

 

Технические требования:

1. Трубка должна соответствовать ГОСТ 8490-77.

2. Общий вид, установочные и присоединительные размеры должны соответствовать эскизу (Рис. 22).

3. Материал мишени трубки — Cr.

4. Охлаждение трубки водяное принудительное. Температура охлаждающей жидкости не более 35°С.

6. Фильтрация излучения —бериллий не толще 0,2 мм.

7. Угол выхода рабочего пучка излучения - 40 х 40 град.

8. Трубка должна быть разработана в исполнении УХЛ 4.1 ГОСТ 15150-69.

9. Электрические параметры трубки приведены в таблице 4.

 

 

Электрические параметры разрабатываемой трубки

Таблица 4

Наименование параметра, единица измерения	Буквенное обозначение	Не менее	Норма	Не более
Номинальная мощность трубки, кВт	Р ном			0.3
Номинальное напряжение трубки, кВ	Ua ном	5		30
Размеры эффективного фокусного пятна, мм:	F эф
ширина длина			0,5 0,5	0,75 0,75
Ток трубки, мА	Iа			10
Ток накала, А	If			2,1
Напряжение накала, В	Uf			2,5

 

Поскольку разрабатываемая рентгеновская трубка должна состоять из трех основных узлов ‒ анодного узла, катодного узла и изолятора, то и разработку можно поделить на три этапа ‒ разработку анодного узла, разработку катодного узла, разработку изолятора ‒ и рассматривать
каждый этап в отдельности. В ходе разработки были выполнены необходимые расчеты, результаты которых представлены в настоящей пояснительной записке.

На основании указанных технических требований, новой рентгеновской трубке было дано обозначение 0,3РСВ1-Cr.

 

 

 

 3.2. Разработка анодного узла

3.2.1. Выбор геометрии расположения мишени и выходного окна
анодного узла

Разработка анодного узла началась с разработки рентгенооптической схемы. Она включает в себя угол наклона мишени, расстояние от центра мишени до выходного окна и диаметра выходного окна. Все параметры выбирались исходя из необходимости гарантированного получения угла выхода рентгеновского излучения в 40 градусов, а также обеспечения линейного размера эффективного фокусного пятна 0,5мм.

По завершению расчета были получены следующие результаты:

1. Угол наклона мишени к оси трубки: 23⁰.

2. Расстояние от центра мишени до центра выходного окна: 9,5 мм.

3. Диаметр выходного окна: 8 мм.

Ниже для наглядности приведен эскиз анодного узла с указанными размерами.

 

Рис. 40. Сборочный чертеж анодного узла

Тепловой расчет анода

Следующий этап разработки анодного узла - выполнение теплового расчета анода. Данный расчет позволяет определить максимальную температуру в наиболее разогреваемых областях анода ‒ мишени, а также на границе мишень-анод. Это дает информацию о предельно допустимых нагрузках, которые сможет выдержать мишень анода и не расплавиться при этом. Стоит отметить, что на результат также влияет размер фокусного пятна и материал мишени.

Расчет производился в специализированной программе Anod_T_Stat, написанной на языке Visual Fortran, созданной и используемой на предприятии ЗАО «Светлана-Рентген». Для выполнения расчета необходимо ввести исходные данные. К ним относятся геометрические размеры рассчитываемого анода, размеры действительного фокусного пятна, материал и толщину мишени, тип и параметры охлаждения анода, а также мощность, подводимую к мишени.

Поскольку анод разрабатываемой рентгеновской трубки имеет сложную форму, расчет производился для анода упрощенной формы. В качестве эквивалента реальному анода был взять медный цилиндр с диаметром 7,3мм и высотой 7,5мм, из которых 5мм непосредственно охлаждаются водой. На торце анода располагается мишень из Cr толщиной 80 мкм.

Ниже приведены результаты теплового расчета анода.

 

Исходные данные:

Фокусное пятно                               линейное
Теплоноситель                                вода
Мощность рт                                  квт 0.30
Диаметр фокусного пятна (круглого)          мм 0.00
Ширина действительного фокусного пятна        мм 0.50 0.50
Длина действительного фокусного пятна        мм 0.50 1.28
Угол наклона анода                          град 23.00
Наружный диаметр анода                         мм 7.30
Толщина мишени                                 мм 0.08
Толщина анода (без мишени)                        мм 2.50
Коэффициент теплоотдачи              квт / м²∙к 64.46
Средняя температура теплоносителя            град 20.00
К-т теплопроводности материала мишени      вт/м∙к 93.90
К-т теплопроводности материала анода       вт/м∙к 330.00
К-т температуропроводности материала мишени вт/м∙к 30.00
К-т температуропроводности материала анода вт/м∙к 85.50
Макс. Допустимая температура нагрева мишени  град 1600.00
Макс. Допустимая тем. Нагр. Спая мишень-анод град 700.00
Макс. Допустимая темп. Нагрева торца         град 150.00

Параметры системы охлаждения рт:

Диаметр торцевой поверхности радиатора         мм 7.20
Высота цилиндрической поверхности радиатора    мм 5.00
Наружный диаметр патрубка охладителя           мм 3.10
Внутренний диаметр патрубка охладителя         мм 2.40
Объёмный расход теплоносителя             л / мин 1.00
Средняя температура теплоносителя           град. 20.00
Температура центра фокусного пятна           град 1019.17
Температура центра спая мишень - анод        град 633.54
Температура центра охлаждаемого торца        град 134.87

 

 

Рис. 41. Кривые распределения температуры мишени по радиусу и по толщине

 

Рис. 42. Кривые распределения температуры анода по радиусу и по толщине

 

Полученные результаты полностью удовлетворяют поставленным требованиям и позволяют утверждать, что на мишени рентгеновской трубки не будет появляться подплавлений, расслоений, трещин и других повреждений, связанных с перегревом, при работе в номинальном режиме.