Разработка конструкции анодного узла

Отличие анодного узла новой трубки от анодных узлов большинства рентгеновских трубок, изготавливаемых на заводе ЗАО "Светлана-Рентген", заключается в малых размерах и при этом достаточно большой (для таких размеров) мощности, выделяемой на мишени. Среди выпускаемых заводом рентгеновских трубок у разрабатываемого анода отсутствует аналог, который можно было бы взять за основу. По этой причине конструкция, а также идеология сборки анодного узла новой рентгеновской трубки будет приближена к конструкции и идеологии сборки рентгеновской трубки
TFS-3007-HP.

Анодный узел включает в себя следующие детали и сборочные единицы:

1. Тело анод

2. Анод с нанесенной на него мишенью

3. Экран

4. Блок выходного окна

5. Элементы системы охлаждения (втулка, диск, трубки)

 

Конструкция анода и тела анода практически полностью повторяют их конструкцию в рентгеновской трубке TFS-3007-HP, за исключением способа нанесения зеркала анода. В трубке TFS-3007-HP мишень представляет собой пластинку из чистого хрома, которая вплавляется в тело анода, после чего шлифуется для достижения необходимой шероховатости поверхности зеркала. В свою очередь на рентгеновскую трубку 0,3РСВ1-Cr хром будет наноситься гальваническим способом, поскольку технология создания хромовых мишеней на предприятии ЗАО «Светлана-Рентген» предполагает именно такой метод. Толщина мишени будет составлять 80 мкм. Это оптимальная толщина зеркала, гарантирующая полное торможение электронов в объеме хрома, а также обеспечивающая достаточный теплоотвод от мишени к аноду.

Экран является дополнительным элементом конструкции, который обеспечивает полную защиту электронного пучка от внешних воздействий электромагнитной природы, и позволяет добиться стабильного положения фокусного пятна и дозы рентгеновского излучения в течении всего времени работы трубки. Это особенно важно в рентгеновских трубках, использующихся для дифрактометрии.

Блок выходного окна состоит из двух втулок между которыми методом диффузионной сварки закреплен круглый лист бериллия необходимой толщины. В целях унификации конструкции в трубку
0,3РСВ1-Cr будет устанавливаться блок выходного окна, который используется в рентгеновской трубке БСВ33. Толщина Be в данном блоке составляет 145 мкм, а диаметр выходного окна равен 8 мм.

Элементы системы охлаждения включают в себя медные трубки по которым будет обеспечиваться ввод и вывод охлаждающей жидкости, втулку, которая разделяет входящие и выходящие потоки жидкости, а также диска, закрывающего систему охлаждения с внешней стороны.

Ниже представлен сборочный чертеж анодного узла с указанием позиций отдельных деталей и сборочных единиц.

 

Рис. 43. Чертеж анодного узла рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr

 

Далее был определен порядок сборки и способ соединения деталей между собой. Все соединения будут выполнены при помощи пайки. При этом пайка будет производиться в два этапа при разных температурах, различными припоями и на разных установках.

На первом этапе будет производиться соединение экрана с телом анода высокотемпературным припоем ПМГрОБ (медно-германиевый припой с температурой плавления 1020°С), при этом пайка будет выполняться в атмосфере водорода. При пайке в водородных печах поверхность деталей также дополнительно очищается (как при водородном отжиге).

В ходе следующего этапа тело анода будет соединено с анодом и блоком выходного окна, а также к нему будут присоединены элементы системы охлаждения. В места соединений закладывается припой ПСР72 (медно-серебряный припой; температура плавления 779°С). Детали в процессе пайки будут находиться в вакууме, и разогреваться токами высокой частоты (индукционный нагрев). Это обусловлено физико-химическими свойствами бериллия, который начинает разрушаться при нагреве в присутствии водорода в окружающей среде.

Разработка катодного узла

Расчет параметров катода

При разработке катодного узла новой рентгеновской трубки в первую очередь было необходимо понять, сможет ли обеспечить вольфрамовый катод с известной геометрией и подаваемой на него мощностью накала необходимый ток эмиссии. Геометрия катода рентгеновской трубки
0,3РСВ1-Cr повторяет геометрию катода трубки-аналога TFS-3007-HP. Для этой цели был произведен расчет основных параметров катода (температура, ток эмиссии, долговечность) [19].

В качестве исходных данных для расчета выбирались мощность накала и геометрия катода.

Ниже приведены основные формулы, а также результаты расчета.

dw = 0,124 мм     диаметр проволоки катода

dk = 0,4 мм            диаметр керна

N = 10                    число витков

lk = 3 мм          длина катода

Imax = 2,1 А          максимальное значение катодного тока

Umax = 2,5 В     максимальное значение катодного напряжения

T = 2500 К            рабочая температура катода

I' = 1526 А             ток единичного катода (при T=2500К)

U' = 143.6∙10-3 В  напряжение ед. катода (при T=2500К)

M' = 6.63∙10-9 г/с  скорость испарения ед. катода (при T=2500К)

lw =   мм   длина нити катода

Ik =  2.1 А                        ток накала

Uk =  = 2.2 В                        напряжение накала

Ie =  = 0.019 А = 19 мА ток эмиссии

t =  = 448 часов         долговечность катода

Как видно из результатов, вольфрамовый катод при заданных мощности накала и геометрии в состоянии обеспечить ток эмиссии равный 19 мА. Это значение почти в 2 раза выше необходимых 10 мА. При этом долговечность такого катода гарантируется более 400 часов, что удовлетворяет условиям поставленной задачи.

Изготовление и испытание макетов катода

Для того чтобы удостовериться в правильности теоретического расчета, был разработан и собран в количестве 2-х штук макет катода на базе катодного узла рентгеновской трубки 0,2БПМ33-100. Макеты представляют собой вакуумные диоды в роли анода, в которых выступает фокусирующая головка катода, электрически изолированная от обоих выводов катода.

В ходе эксперимента были измерены ток эмиссии катода при различных напряжениях смещения (анодных напряжениях; табл.5,6, рис.45), что позволило измерить эмиссионную способность катода, и дало возможность определить, сможет ли катод обеспечить необходимую эмиссию в уже готовой рентгеновской трубке. Кроме этого была снята вольтамперная характеристика накала (табл.7, рис.46) в макетах, а также на одном из них измерена температура спирали катода при различных величинах тока накала (табл.8, рис.47).

Измерение температуры производилось портативным инфракрасным пирометром Cyclops 100b фирмы «Land» (рис.44). Он позволяет производить высокоточные измерения в диапазоне температур от 550 до 3000°С. Измеряемая температура появляется на дисплее в четырех одновременных значениях: продолжительное, пиковое, основное и среднее, которое пользователь может видеть на дисплее видоискателя. Ниже представлены результаты испытаний макетов.

Рис. 44. Портативный инфракрасный пирометр Cyclops 100b

 

Проверка эмиссионной способности катодов

Макет №1

Таблица 5

Анодное напряжение, В	Ток анода, мА
	Iн1=1,9 А	Iн1=2,0 А	Iн1=2,1 А	Iн1=2,15 А
0	0,24	0,35	0,46	0,52
5	0,85	1,18	1,48	1,65
10	1,33	2,05	2,75	3
15	1,6	2,3	4	4,55
25	1,9	3,7	6,2	7,5
50	2,2	4,55	9	12,1
100	2,3	5,1	10,7	15
150		5,3	11,5	16,4
200	2,35	5,4	12	17,4
250		5,5	12,3	17,8
299			12,7

 

 

Макет №2

Таблица 6

Анодное напряжение, В	Ток анода, мА
	Iн2=1,9 А	Iн2=2,0 А	Iн2=2,1 А	Iн2=2,15 А
0	0,24	0,32	0,41	0,46
5	0,85	1,18	1,46	1,6
10	1,32	2,1	2,75	3,05
15	1,65	2,9	4,1	4,6
25	1,9	3,9	6,9	7,6
50	2,2	4,95	9,6	12,5
100	2,45	5,7	11,6	15,8
150	2,6	6	12,5	17,2
200	2,75	6,3	13,2	18,2
250	2,8	6,55	13,7	18,8
299	3,15	6,8	14,1	19,4

 

Вольтамперная характеристика катодов

Таблица 7

Ток катода, А	Напряжение катода, В
	Макет №1	Макет №2
1,5	1,1	1
1,75	1,5	1,45
1,9	1,85	1,8
2	2,05	2
2,1	2,3	2,25
2,15	2,4	2,35

 

 

Измерение температуры катода (макет №2)

Таблица 8

Ток накала, А	Температура спирали, ºC
1,5	1539
1,75	1758
1,9	1898
2	1996
2,1	2045
2,15	2111

 

Рис. 45. Зависимость тока анода от анодного напряжения при различных
значениях тока катода

 

На графике (рис. 45) видно, что при максимально допустимом значении тока накала Iн=2,1А, а также напряжении анода Uа=300В, ток эмиссии с катода уходит в область насыщения и равен при этом Iа₂=13мА и Ia₁=12,5мА для макета №2 и №1 соответственно. Оба значения выше величины требуемого анодного тока Iа=10мА, что дает гарантию получения необходимого тока эмиссии в собранной рентгеновской трубке 0,3РСВ1-Cr при ее работе в номинальном режиме.

Чертеж, а также фотографии макетов катодных узлов представлены в приложении 1.

 

Рис. 46. Вольтамперная характеристика катодов

 

Рис. 47. Зависимость температуры спирали катода от тока, проходящего через катод

 

Кривая зависимости температуры катода от тока накала, а также вольтамперные характеристики катодов вполне соответствуют теоретическим предсказаниям.