Вращающийся анод рентгеновской трубки с поперечной проточно-охлаждаемой осью вращения
X-RAY TUBE ROTATING ANODE WITH A TRANSVERSE FLOW-THROUGH-COOLED AXIS OF ROTATION

Изобретение относится к вращающимся анодам рентгеновских трубок и может быть использовано для производства рентгеновских трубок медицинского и промышленного применения широкого профиля с возможностью создания излучения большой мощности и при больших центробежных перегрузках.
Актуальность
С развитием медицинских рентгеновских систем, особенно ангиографии и мультиспиральной компьютерной томографии (далее - МСКТ), основной упор делается на следующих требованиях, предъявляемых к рентгеновским трубкам в целом и анодам, в частности:
1. Большая теплоемкость анода в сочетании с большой скоростью теплоотвода, что позволяет выполнять исследования более длительные и/или с большей дозой излучения за единицу времени.
2. Снижение массы всей сборки, прочность и компактность в целях улучшения балансировки гентри, увеличения скорости вращения.
3. Большая скорость вращения анода в целях недопущения повреждения мишени перегревом.
4. Большая стабильность угла анода при ускорениях до десятков g. Данное требование приводит к дилемме - или увеличивать массу анода для гироскопической устойчивости и высокой теплоемкости, при этом теряя осевую устойчивость, или снижать массу анода, теряя в теплоемкости.
5. Для ангиографии преобладающее значение имеет теплоемкость анода, скорость теплоотдачи, теплоемкость всей сборки, так как исследования и манипуляции бывают весьма длительными и отказ системы от перегрева анода, в принципе, недопустим.
(Medical Physics 31 (9): 2699-706. October 2004 with 1, 122 Reads DOI: 10.1118/1.1783552. Source: PubMed).
В рамках данного изобретения не рассматриваются изделия с неподвижными анодами и пенетрирующими (на прострел) анодами в связи с низкой удельной мощностью таких трубок.
Вращающийся анод дисковой формы
Дисковый вращающийся анод - традиционное решение данных задач, исполнение различное, монолитное, составное, или композитное.
Известна рентгеновская трубка с вращающимся анодом (Патент США N 4856039, МКИ Н01J 35/10, 08.08.89), установленным на опоре скольжения с жидкой металлической смазкой на основе галлия (Ga). Опора вращающегося анода представляет собой два подшипника скольжения, сферический и конический, с шевронными профильными канавками на рабочих поверхностях. Недостатком этой конструкции является малая надежность за счет низкой жесткости сферического подшипника и возможности заклинивания конического подшипника, что усложняет конструкцию трубки и требует введения дополнительного подшипника качения и компенсационного пружинного элемента.
Известна также рентгеновская трубка с вращающимся анодом (Патент США N 4644577, МКИ Н01J 35/10, 17.02.87), поддерживающимся опорой скольжения цилиндрического типа со спиральными канавками с металлической смазкой рабочего зазора на основе галлия, висмута, индия (Ga, Bi, In). Известная самоподдерживающаяся цилиндрическая опора скольжения со спиральными канавками позволяет, как указано в описании патента, нести только симметричную нагрузку, что вызывает дополнительные трудности в изготовлении и эксплуатации изделия в условиях переменных углов (ангиография) и асимметричных нагрузок (МСКТ). В частности, указанная конструкция критична по угловой жесткости, что накладывает определенные ограничения в эксплуатации рентгеновской трубки при проведении медицинских исследований.
Известна также рентгеновская трубка с вращающимся анодом (Патент РФ 2091900), содержащая металлическую вакуумную камеру, в которой расположены катод и вращающийся анод, поддерживающийся цилиндрической опорой скольжения со смазкой рабочего зазора сплавом жидких металлов галлия, индия, олова (Ga, In, Sn) и профилированной спиральными канавками. Опора скольжения представляет собой самоподдерживающуюся опору скольжения цилиндрического типа. Недостатками данного устройства являются недостаточная надежность опоры скольжения вращающегося анода и сложность сборки опоры. Кроме того, цилиндрическая опора с подпятником критична к восприятию как гироскопической реакции вращающегося анода, так и ускорения в исполнении для МСКТ.
Известны трубки для КТ производства Siemens с технологией «Straton» и Toshiba с технологией «Aquilion», которые объединяет двусторонняя поддержка оси вращения диска. Именно двусторонняя поддержка позволила реализовать неплохую осевую устойчивость анода и его угла. Однако система Straton обладает еще и значительно большим коэффициентом теплоотвода, что позволило использовать диск с малой теплоемкостью («New x-ray tube performance in computed tomography by introducingthe rotating envelope tube technology», Peter Schardt, etc Siemens Medical Solutions, Vacuum Technology, Erlangen, Germany, 2004). Это достигнуто, в основном, благодаря размещению теплоносителя позади одной из частей анода и позволяет достичь рекордных 0.25 с на оборот, что на момент написания заявки является общепризнанным технологическим пределом в отрасли. Aquilion же позволяет достичь 0.275 с на 1 оборот. Следует также заметить, что предыдущий технологический предел в 0.4 с на оборот был достигнут в 2007 году, что говорит о том, что технический прогресс в этом направлении движется крайне медленно. Однако дальнейшее ускорение (до 0.2-0.1) в медицине необходимо в интересах улучшения визуализации при исследовании коронарных сосудов и сердца в целом. Производители вынуждены идти по пути формирования двух- и трехтрубочных систем, что значительно удорожает и усложняет системы.
Дальнейшие попытки натыкаются, очевидно, на нестабильность тяжелого анода при ускоряющих нагрузках и невозможность адекватного теплоотвода при повышенном режиме теплообразования во время высокоскоростных исследований. В ангиографии же проблема заключается не сколько в нестабильности анода (на достаточно длинной опоре подшипника устойчивость вполне достаточна), сколько в скорости охлаждения традиционных дисковых анодов.
Все описанные выше трубки имеют вращающийся анод в виде различных вариаций диска и для всех характерна общая проблема теплооотвода из-за «узкого места» в основании диска. То есть, вне зависимости от конструктива, по направлению от мишени к оси диска сечение теплоотвода геометрически уменьшается, достигая своего минимума в проекции оси, которой диск соединяется с опорой, через которую, в свою очередь, и осуществляется от 70 до 90% теплоотдачи современных трубок. Такого узкого места, теоретически, можно избежать при использовании трубки с поперечным положением цилиндрического анода (описаны ниже), однако авторы таковых не реализовали преимущества этой геометрии в должной степени, оставив аналогичное «сужение сечение охлаждения» на опорах на концах цилиндра.
Цилиндрический анод с осью вращения, поперечной пучку электронов
Известна рентгеновская трубка с вращающимся анодом цилиндрической формы («Cylindrical x-ray tube for computed tomography imaging», патент США US 7305063 B2), содержащая в вакуумной полости цилиндрический анод на двух подшипниках, один из которых совмещен с ротором стартера. При этом описывается возможность и целесообразность работы с несколькими фокусными пятнами одновременно, а также предусмотрено перемещение катода, продольное оси вращения анода, в целях равномерного распределения тепловой нагрузки. В патенте широко аргументирована польза именно такого расположения анода. Недостатком данного решения является затруднение теплоотвода от анода, которое может осуществляться только через одну опору со стороны стартера, при этом анод рассматривается как монолитное или композитное тело с опорой на крайние точки. Усложнение механической части в отношении смещения катода вдоль оси отрицательно сказывается на надежности. Также данная геометрия не позволяет полностью скомпенсировать значительные ускорения всей сборки при КТ исследованиях. Данный патент не поддерживается с 2014 года.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому изобретению является конструкция рентгеновской трубки с вращающимся анодом цилиндрической формы с поперечной пучку электронов осью вращения («Х-ray tube having a rotating and linearly translating anode», патент США US 7305063 B2). Недостатком данной схемы, как и в предыдущем случае, является затруднение теплоотвода от анода, большая часть которого может осуществляться только через опору со стартером, при этом анод рассматривается также как монолитное или композитное тело с опорой на крайние точки. Данная геометрия также не позволяет полностью компенсировать значительные ускорения анода при КТ исследованиях. Кроме того, механика трубки усложняется механизмом принудительных движений цилиндра вдоль оси вращения, в том числе и в опорах, и разбалансирует соосность нагрузки в гентри МСКТ. Данный патент действует на момент подачи данной заявки.
Целью настоящего изобретения является реализация многократного ускорения теплоотвода от анода путем максимального приближения хладагента к фокусу и исключения «узких мест», что позволяет использовать изделие в значительно более мощных режимах работы. При этом увеличение механической прочности, упрощение конструкции и более легкий анод позволяют использовать трубку в условиях значительных центробежных ускорений в МСКТ, что позволяет преодолеть описанный выше технологический предел.
Указанная цель достигается следующим комплексом технических решений:
1. Вращение анода с осью, поперечной пучку электронов. Движение анода или катода вдоль оси (как в аналогах) не предусматривается, что позволяет выполнять мишень в виде пояса.
2. В исполнении для МСКТ ось вращения анода строго параллельна оси вращения гентри, что позволяет нивелировать нежелательные гироскопические эффекты.
3. Форма анода может быть цилиндрической, веретенообразной (оптимально), конической, двутаврового продольного сечения, усеченной конической, комбинированной, трапециевидного сечения, в зависимости от задач.
4. Угол атаки пучка может быть как в боковую цилиндрическую стенку (как описано в аналоге), так и на скошенную мишень, произвольно формируемую в виде площадки заданного угла усеченного конуса. В первом случае достигается равномерность распределения тепла во все стороны, во втором - боковое или любое косое направление излучения, в том числе и соосное оси вращения анода, если это конструктивно целесообразно для какого-либо конкретного применения.
5. Пучков и мишеней может быть несколько в интересах реализации мультифокусной томографии.
6. Подшипник выполняет также функции гидродинамической опоры, предпочтительно, большого калибра, жидкометаллический, с кольцевыми и спиральными канавками, как это практикуется в известных образцах, проходит коаксиально через весь анод, причем вращающаяся часть подшипника создает с анодом единое целое (монолитное или зафиксированная втулка с высокой теплопроводностью).
7. Вращающаяся часть подшипника с обоих концов или с одного конца соединена с роторами или соответственно одним ротором. Симметричная схема в данном случае равновесна и предпочтительна для условий балансировки всей системы и работе в условиях значительных перегрузок.
8. Невращающаяся часть зафиксирована на корпус трубки и, при необходимости, всей сборки с обоих концов и выходит за пределы вакуумной полости. Герметичная заделка швов и соединений технологически отработана и не представляет проблем.
9. Невращающаяся часть подшипника выполняется из материалов с высокой теплопроводностью, полой, открытой с обоих концов вне устройства (труба), с возможностью создания сквозной принудительной проточной струи любого целесообразного хладагента (воздуха, фреона, воды, масла, проч.).
10. В проточную полость невращающейся части подшипника формируется выступающий со стенок радиатор (теплообменник) того или иного вида, оптимально эффективный для соответствующего хладагента, его вязкости и скорости его потока (игольчатый, циклонный, пластинчатый, проч.).
Предлагаемое устройство работает следующим образом (Фиг. 1, продольный центральный разрез, и Фиг. 2, поперечный разрез). При включении электропривода рентгеновской трубки за счет активной части ротора (или роторов) (1) происходит вращение анода (2) и соединенного с ним воедино вращающегося элемента (3) гидродинамической опоры. При этом, как это и происходит в жидкометаллических подшипниках, жидкометаллический сплав вовлекается в рабочий зазор опоры. При подаче высокого напряжения между катодом (4) и анодом сформированный электронный пучок (5) попадает на мишень (6), выполненную в виде пояса (возможно также любое монолитное исполнение, в зависимости от задач и конструктива), возникает генерация рентгеновского излучения, которое выходит через рентгенпрозрачное (к примеру, бериллиевое) окно (7). Тепло от фокального пятна распределяется во всех направлениях анода, форма и толщина которого может быть оптимизирована под конкретный профиль тепловых нагрузок, затем, через опору-подшипник, поступает на стенки и радиатор (8) полости невращающейся части опоры (9), где и уносится хладагентом (10), условное направление которого обозначено черными стрелками.
Предлагаются следующие варианты исполнения:
- цилиндрический анод (Фиг. 3, продольный разрез);
- цилиндрический анод с наклонной мишенью (Фиг. 4);
- анод двутаврового продольного сечения (для увеличения теплоемкости анода) (Фиг. 5);
- веретенообразный анод с плоской мишенью (Фиг. 6);
- усеченный конус (Фиг. 7);
- анод трапециевидного продольного сечения (Фиг. 8);
- анод трапециевидного продольного сечения с наклонной мишенью (Фиг. 9);
- с двумя роторами (Фиг. 1);
- мультифокусная конфигурация.
При этом веретенообразный и трапециевидный оптимальны для МСКТ, остальные - для других применений.
Предлагаемая конструкция рентгеновской трубки по сравнению с аналогами имеет значительно более мощное охлаждение без «узких мест», а за счет упрощения механической части, компактности, равновесности и значительного повышения жесткостных характеристик опоры обладает высокой надежностью.