КАТОД РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ
CATHODE OF X-RAY TUBE

Изобретение относится к рентгеновской технике, а именно к катодам рентгеновских трубок.
Из предыдущего уровня техники известен катод рентгеновской трубки, в котором между каждым токовводом эмиттера и керамическим изолятором введена регулирующая деталь, а между изолятором и катодной чашкой установлена переходная металлическая втулка методом пайки. Регулирующая деталь выполнена в форме трубки из металла с различным поперечным сечением по длине и полусферическим утолщением в средней части. Токоввод эмиттера закреплен в нижней части трубки методом пайки. Верхняя часть трубки сделана несколько большего диаметра, чем диаметр токоввода, что обеспечивает возможность изменять положение токоввода в радиальном направлении. Изменение положения токоввода в осевом направлении обеспечивается деформированием сферического участка трубки. Патент US 5526396, H01J 35/06, 11.06.1996.
Серьезным недостатком этой конструкции является необходимость последующей фиксации положения подвижной регулирующей детали для каждого токоввода эмиттера в заданном положении, что требует введения в конструкцию катода дополнительных деталей и, следовательно, увеличивает длительность сборочной операции, а также имеется риск смещения регулирующей детали из заданного положения.
Пайка токоввода эмиттера в регулирующей детали может стать причиной появления механических напряжений в других близкорасположенных паяных швах конструкции катода и привести к деформации деталей узла из-за высокой температуры, при которой происходит операция пайки, и разности коэффициентов температурного расширения используемых материалов. Так, в случае серебряного припоя она может достигать свыше 800°C. Также наличие большого числа паяных швов снижает надежность конструкции, особенно при необходимости иметь двух или трехфокусный катод, когда число паяных соединений возрастает в два или в три раза соответственно.
Известен катод рентгеновской трубки, в котором для изоляции эмиттеров от катодной чашки используется общий изолятор, а ножки эмиттера монтируются непосредственно в изолятор через металлические втулки. Патент US 5515413, H01J 35/14, 07.05.1996.
Существенным недостатком этой конструкции является то, что при установке эмиттера в установочном пазу катодной чашки в отсутствие токовводов повышается риск брака, связанный с поломкой эмиттера, который обычно изготавливается из вольфрама, отличающегося низкими механическими свойствами.
Недостатком этой конструкции также является сложность обеспечения заданной точности установки эмиттера и недостаточная надежность крепления токовводов в условиях работы рентгеновской трубки.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является катод рентгеновской трубки, в котором между каждым токовводом и керамическим изолятором расположена металлическая втулка, причем в ее центральной части выполнен поперечный фланец, а изолятор расположен непосредственно в теле катодной чашки. Каждый токоввод эмиттера фиксируется в металлической втулке методом пайки, а каждая металлическая втулка закреплена в изоляторе с обеих сторон, причем со стороны расположения токопроводящих шин втулка припаивается к изолятору через поперечный фланец. Патент US 3943393, H01J 35/02, 09.03.1976.
Недостатком этой конструкции является сложность изготовления металлической втулки и ее монтажа в керамическом изоляторе с заданной точностью.
Температура эмиттера на рабочих режимах может достигать 2500°C, что приводит к его интенсивному испарению. Поэтому при длительной эксплуатации прибора возможно осаждения материала эмиттера на неэкранированные поверхности керамических изоляторов, что делает их токопроводящими. Конструкция данного катода не предусматривает защиты от напыляемого материала эмиттера, а токовводы расположены достаточно близко к токопроводящим поверхностям катодной чашки. При работе рентгеновской трубки это может стать причиной замыканий между катодной чашкой и блоком эмиттера или вызвать искрение, что отрицательно скажется на стабильности эмиссионного тока, рентгенооптических параметрах и на конечном ресурсе изделия.
Перед авторами стояла задача создания катода рентгеновской трубки, лишенного указанных недостатков и отличающегося хорошей надежностью, а также позволяющего обеспечить высокую точность сборки и сократить время на выполнение данной операции.
Поставленная задача решается за счет того, что предложен катод рентгеновской трубки, конструкция которого включает катодную чашку, блок эмиттера, состоящий из двух токовводов и закрепленного на них эмиттера, изоляторы, причем каждый изолятор выполнен составным из керамической втулки и металлического фиксатора, размещенного на одном из торцов керамической втулки методом пайки, а свободная часть керамической втулки размещена в посадочном месте, выполненном в катодной чашке для каждого изолятора, и закреплена в нем методом зачеканивания кромок кольцевых пазов, выполненных вокруг посадочных мест, а токовводы эмиттера расположены в изоляторах, причем фиксация токовводов осуществляется методом лазерной сварки металлических фиксаторов с токовводами. В качестве материала фиксирующего элемента изолятора может быть использована или медь, или никель, или титан, или их сплавы.
Введение в конструкцию изолятора металлического фиксатора на торце керамической втулки позволяет упростить конструкцию фиксирующего элемента, уменьшить время сборки изолятора и повысить точность выставления эмиттера в установочном пазу катодной чашки. Использование металлического фиксатора позволяет упростить операцию выставления эмиттера в катодной чашке благодаря возможности предварительной фиксации токовводов в металлических фиксаторах путем их обжима. На операцию сборки изолятор поступает уже в составе двух спаянных вместе деталей, а именно керамической втулки и металлического фиксатора, что позволяет, с одной стороны, полностью исключить их нагрев во время этой операции и, с другой стороны, ускорить процесс сборки.
Выбор лазерной сварки в качестве метода окончательного крепления токовводов в металлических фиксаторах обусловлен простотой данного метода, позволяющего сократить время сборки катода, и исключением перегрева близкорасположенных элементов конструкции катода.
Выбор зачеканивания в качестве метода крепления изолятора в катодной чашке обусловлен несколькими факторами. Механическое крепление исключает нагрев конструкции при сборке, который может привести к окислению нагреваемых поверхностей, что потребует их дальнейшей очистки и, следовательно, увеличит длительность технологического процесса. Также нагрев может стать причиной возникновения механических напряжений близкорасположенных паяных швов, имеющихся в изоляторах. В процессе эксплуатации рентгеновской трубки катод подвержен постоянным термоциклическим нагрузкам, что может стать причиной разрушения паяных соединений между изолятором и катодной чашкой. Механическое крепление исключает возникновение подобных ситуаций и, следовательно, повышает надежность конструкции катода. Также сокращается время сборки катода.
Изобретение иллюстрируется фиг.1-2. На фиг.1 представлена конструкция двухфокусного катода рентгеновской трубки, где 1 - катодная чашка, 2 - установочные пазы, 3 - эмиттеры, 4 - токовводы, 5 - изоляторы, 6 - керамические втулки, 7 - металлические фиксаторы. На фиг.2 представлено сечение катода, выполненное в плоскости А-А вдоль установочного паза, где 8 - посадочные места изоляторов, 9 - кромки, 10 - кольцевые пазы, 11 - центрующий буртик металлического фиксатора.
Пример осуществления
Катод рентгеновской трубки (фиг.1) выполнен двухфокусным и состоит из катодной чашки 1, в установочных пазах 2 которой размещены эмиттеры 3 на токовводах 4. Токовводы 4 выполнены из молибдена и размещены в изоляторах 5, состоящих из керамических втулок 6 и металлических фиксаторов 7, выполненных из меди и соединенных методом пайки. Изоляторы 5 установлены в посадочных местах 8 (фиг.2), выполненных в катодной чашке 1, и закреплены методом зачеканивания кромок 9 кольцевых пазов 10, выполненных вокруг посадочных мест 8. С целью повышения точности сборки в металлических фиксаторах 7 выполнены центрующие буртики 11.
Внедрение этой конструкции позволило значительно сократить время операции сборки катода и повысить точность установки эмиттера в катодную чашку, а опыт использования этой конструкции катода в рентгеновских трубках показал высокую надежность их работы в условиях эксплуатации прибора.