Методы и результаты исследования материалов катодов мощных рентгеновских трубок

Основные задачи в развитии современной рентгеновской диагностической аппаратуры состоят в постоянном повышении качества получаемых изображений и одновременном снижении дозы радиационного воздействия на пациента, что приводит к необходимости получения больших интенсивностей рентгеновского излучения при обеспечении малых размеров фокусных пятен.

В настоящее время в подавляющем большинстве рентгеновских трубок медицинского назначения используются катоды в виде спиралей, выполненных, как правило, из поликристаллической вольфрамовой проволоки, технология получения и свойства которой хорошо изучены и отработаны.

Однако, применение таких катодов не позволяет решить поставленные задачи из-за сложности фокусировки электронов с цилиндрической поверхности спирали. Наиболее перспективным, с этой точки зрения, является катод с плоской эмитирующей поверхностью. Плоский катод обеспечивает более равномерное распределение электрического поля, что облегчает процесс фокусировки электронов, и имеет большую эмитирующую поверхность.

В некоторых типах рентгеновских трубок применяются плоские перфорированные катоды, изготовленные из фольги поликристаллического вольфрама толщиной до 200 мкм. Однако такие катоды имеют относительно небольшой срок службы. В большей степени это относится к компьютерным томографам, где помимо высокой температуры катод испытывает и механические перегрузки, вызванные вращением рентгеновской трубки вокруг исследуемого объекта.

До настоящего времени большее внимание было уделено конструкциям плоского катода. При этом в качестве материала использовали поликристаллический вольфрам. На практике оказалось, что не только конструкция определяет эксплуатационные характеристики катода. Учитывая, что рабочая температура катода в рентгеновской трубке достигает 2400 °C, для разработки конструкции и оценки его работоспособности необходимо знать теплои электрофизические свойства материалов. Однако в литературе отсутствуют данные по комплексу указанных свойств в необходимом интервале температур на образцах в виде фольг.

Таким образом, актуальной является решение задач выбора и исследования материалов для различных типов катодов рентгеновских трубок медицинского назначения, что и составляет предмет данной работы. Структурная схема работы представлена на рис. 1.

Исследования свойств материалов.

Теплофнзические.

— теплопроводность.

— теплоемкость.

— степень черноты Электрофизические.

— электросопротивление.

— работа выхода.

Технология изготовления плоских катодов.

— Эгектроэрозионная резкаДиффузионная сваркаТермообработка.

Испытания образцов катодов.

Прочностные испытания Сопротивление ползучести Ресурсные испытания.

Диффузионные исследования биметаллических эмиттеров — эмиссионные — испаряемость.

Рис. 1. Схема работы.

Целью работы является создание плоских катодов с повышенными эксплуатационными характеристиками для различных типов рентгеновских трубок медицинского назначения на основе комплекса расчетноэкспериментальных исследований, включающих:

• разработку методов и исследование теплои электрофизических свойств (работа выхода электронов, электросопротивление, степень черноты, теплоемкость, теплопроводность) материалов, перспективных в качестве плоских катодов, на образцах в виде фольг;

• разработку режимов термической обработки материалов катодов, с целью повышения их прочностных характеристик;

• разработку технологии получения катодов с высокоэффективным эмиссионным покрытием;

• определение эмиссионных характеристик катодов и их ресурсные испытания.

Научная новизна.

• Разработан защищенный патентом РФ способ определения теплои электрофизических (электросопротивление, степень черноты, теплопроводность, теплоемкость, работа выхода электронов) свойств материалов на образцах в виде фольг при температурах до 2400 °C.

• Впервые определены работы выхода электронов, электросопротивление, степень черноты, теплоемкость, теплопроводность фольг модифицированного вольфрама и монокристаллического сплава при температурах до 2400 °C.

• Обнаружен эффект существенного повышения сопротивления высокотемпературной ползучести модифицированного вольфрама после термической обработки при температуре 2400 °C.

• Впервые выявлено образование сетки наноразмерных пор по границам зерен в фольгах из модифицированного вольфрама при высокотемпературном отжиге.

• Разработана и защищена патентом РФ конструкция плоского биметаллического катода из фольг вольфрама и тантала. Выбран режим предварительной термообработки такого катода при температуре 2250 °C и показано, что его работа выхода после термообработки стабильна при рабочих температурах в течение 100 часов и составляет 4,25±0,05 эВ, что позволяет получить более чем трехкратное увеличение эмиссионного тока, по сравнению с вольфрамовым катодом.

Практическая ценность работы.

Разработаны экспериментальные методы исследований комплекса высокотемпературных свойств материалов на образцах в виде фольг. Методы могут быть использованы для исследований свойств тугоплавких материалов, применяемых для изготовления электродов электровакуумных приборов, в том числе рентгеновских трубок, а также нагревательных элементов и тепловых экранов;

На основе результатов расчетно-экспериментальных исследований сформулированы рекомендации по применению тугоплавких материалов для изготовления катодов рентгеновских трубок различного назначения (компьютерная томография, ангиография, маммография и кардиология).

Личный вклад автора.

Разработаны методы исследования комплекса теплои электрофизических (электросопротивление, степень черноты, теплопроводность, теплоемкость, работа выхода электронов) свойств материалов на образцах в виде фольг при температурах до 2400 °C.

Проведены исследования этих свойств на фольгах из модифицированного поликристаллического вольфрама и монокристаллического сплава «М-4%Та.

Разработан режим термообработки модифицированного поликристаллического вольфрама и обнаружен эффект существенного повышения его сопротивления высокотемпературной ползучести.

Разработана конструкция биметаллического катода, проведены его ресурсные испытания и исследованы эмиссионные характеристики.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методы исследования комплекса теплои электрофизических (электросопротивление, степень черноты, теплопроводность, теплоемкость, работа выхода электронов) свойств материалов на образцах в виде фольг при температурах до 2400 °C;

2. Результаты исследований теплои электрофизических свойств на фольгах из модифицированного вольфрама и монокристаллического сплава W-4%Ta;

3. Результаты исследований влияния высокотемпературного отжига на структуру и свойства модифицированного калием вольфрама. Показано, что в результате высокотемпературного отжига в материале формируется сетка наноразмерных пор по границам зерен. Установлено существенное повышение сопротивления высокотемпературной ползучести такого материала после отжига при температуре 2400 °C;

4. Разработана конструкция биметаллического катода, обладающего повышенными эмиссионными характеристиками. Показано что такой катод имеет работу выхода на 0,3 эВ ниже, чем катод из поликристаллического вольфрама.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации доложены: на научной сессии МИФИ (МИФИ, Москва, 2007) — на 2-ом Всероссийском национальном конгрессе по лучевой диагностике и терапии (Москва, 2008) — на международной конференции Workshop ISTC in Korea «Nanomaterals and nanotechnology» (Seoul, 2009);

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 3 статьи, 4 доклада, 3 патента РФ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 47 наименований. Общий объем диссертации 120 страниц, включая 86 рисунков и 5 таблиц.

выводы.

1. На основании проведенных в работе расчетно-экспериментальных исследований выбраны материалы для плоских катодов рентгеновских трубок медицинского назначения;

2. Разработаны методы исследования теплои электрофизических (электросопротивление, степень черноты, теплопроводность, теплоемкость, работа выхода электронов) свойств материалов на образцах в виде фольг при температурах до 2400 °C. Проведены исследования этих свойств на фольгах толщиной 200 мкм из перспективных материалов плоских катодов рентгеновских трубок: поликристаллическом модифицированном вольфраме и монокристаллическом сплаве \М%Та;

3. При исследованиях рекристаллизационных процессов, проходящих в фольге из модифицированного вольфрама, и отработке режима термической обработки катода обнаружен эффект повышения сопротивления высокотемпературной ползучести материала после отжига при 2400 °C;

4. Впервые в фольгах из модифицированного вольфрама обнаружены мелкодисперсные поры (100−150 нм), располагающиеся в рядах, параллельных направлению прокатки и формирующие в фольге рекристаллизационную структуру с неравноосными зернами;

5. Разработана конструкция катода с высокоэффективным эмиссионным покрытием из тантала, отработана технология его получения и исследованы эмиссионные характеристики. Показано что такой катод имеет работу выхода на 0,3 эВ ниже, чем у вольфрама, и, как следствие, плотность эмиссионного тока в 3 раза больше при одинаковых рабочих температурах;

6. Сформулированы рекомендации по применению выбранных и исследованных материалов катодов для рентгеновских трубок различных назначений в медицинской диагностике.