Разработка и внедрение прогрессивных конструкций и технологий в производство рентгеновских приборов

Рентгеновское излучение с каждым годом находит все более широкое применение. Если первоначально оно применялось исключительно в медицинских, целях, то со временем оно стало использоваться при проведении научных исследований, для определения химического состава веществ, их структуры, для неразрушающего контроля изделий машиностроения, сепарации алмазов и т. д. В последние годы рентгеновская аппаратура стала широко применяться при таможенном досмотре, для проверки багажа в аэропортах.

Естественно, что по мере расширения областей применения рентгеновского излучения совершенствовались и генераторы рентгеновского излучения — рентгеновские трубки. Появились трубки принципиально новых конструкций: с вращающимися анодами, с анодами прострельного типа, трубки с холодными катодами, микрофокусные трубки и других типов.

Параллельно с созданием новых конструкций улучшение характеристик рентгеновских трубок идет по пути использования более совершенных технологий их производства.

Большой вклад в разработку методов расчета, создание новых конструкций и технологий производства рентгеновских приборов внесли: Хараджа Ф. Н., Раков В. И., Пошехонов П. В., Иванов С. А., Чижунова Ю. А., Денискин Ю. Д., Щукин Г. А., Теумин М. И., Дронь Н. А., Слоева Г. Н., Иоффе Ю. К. и др.

Однако в связи с тем, что области применения рентгеновского излучения непрерывно расширяются, к рентгеновским трубкам предъявляются все более жесткие требования с точки зрения стабильности параметров, удобства использования, долговечности, стоимости и т. д. Поэтому проблема разработки прогрессивных конструкций и технологий производства рентгеновских приборов является актуальной.

Актуальность данной проблемы подтверждается и на государственном уровне. По инициативе Президента Российской Федерации разработана Федеральная целевая программа улучшения медицинского обслуживания населения РФ «Здоровье», в которой обращается большой внимание на разработку новых диагностических средств, в том числе, с использованием рентгеновского излучения.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка научно-обоснованных конструкторских и технологических решений, направленных на создание серии рентгеновских приборов повышенного качества и надежности, производство которых имеет Международный сертификат качества в соответствии с Международным стандартом IS09901.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить комплекс следующих задач:

— анализ тепловых процессов в рентгеновских трубках с вращающимся двухслойным анодом при кратковременных и длительных нагрузках;

— разработка технологий производства двухслойных мишеней трубок с вращающимся анодом методом порошковой металлургии;

— анализ механических напряжений в тонких бериллиевых окнах рентгеновских трубок с прострельным анодом;

— исследование процессов очистки внутренней поверхности анодов рентгеновских трубок прострельного типа;

— разработка ионно-плазменной технологии нанесения металлических пленок на бериллиевые окна рентгеновских трубок с прострельными анодами;

— исследование и разработка технологии модификации внутренней поверхности стеклянных оболочек рентгеновских трубок с использованием метода молекулярного наслаивания;

— разработка на базе проведенных исследований серии рентгеновских приборов с вращающимися и прострельными анодами с улучшенными эксплутационными характеристиками.

На базе выполненных исследований сформулированы следующие научные положения, которые выносятся на защиту:

1. Двухслойные вольфрам-молибденовые мишени рентгеновских трубок с вращающимся анодом, изготовленные методом порошковой металлургии, имеют увеличенный на 30% срок службы, уменьшенную в 1,2 раза трудоемкость изготовления по сравнению с мишенями, изготовленными традиционным способом наплавки молибдена расходуемым электродом с последующим нанесением вольфрамового слоя фторидным методом.

2. При ионной очистке внутренней поверхности анодного блока рентгеновской трубки прострельного типа, имеющего форму стакана, боковую поверхность следует очищать с использованием тлеющего разряда с полым катодом, а дно — в режиме высоковольтного тлеющего разряда.

3. Нанесение титанооксидных (ТЮ2) или хромокидных (СГ2О3) покрытий на внутреннюю поверхность стеклянных оболочек рентгеновских трубок методом молекулярного наслаивания позволяет снизить поверхностное сопротивление стекла до (1−2)-109 Ом, что приводит к увеличению электрической прочности стеклянной оболочки за счет выравнивания электрического поля.

Личное участие автора в решении рассматриваемых в диссертации вопросов выразились в определении цели и разработке методов исследований, проведении экспериментов, анализе и обобщении результатов, разработке и внедрении новых прогрессивных конструкций узлов рентгеновских трубок и технологии их производства, формулировании научных выводов, публикации 7-ми научных работ и участии с докладами на 3-х научных конференциях.

Основные результаты работы более детально могут быть сформулированы следующим образом.

1. Осуществлен анализ тепловых процессов в рентгеновских трубках с вращающимся анодом. Рассмотрена задача распространения тепла в двухслойной мишени. Получены выражения, позволяющие рассчитать толщину слоев мишени в зависимости от времени воздействия теплового потока.

2. С учетом теплоизлучения выполнены расчеты процесса нагрева и охлаждения мишени вращающегося анода рентгеновской трубки при длительной тепловой нагрузке.

3. Разработан технологический процесс получения двухслойных мишеней вращающихся анодов рентгеновских трубок методом порошковой металлургии. Рекомендован и внедрен в производство метод дробеструйной обработки фокусной дорожки, что позволило увеличить интегральный коэффициент излучения и привело к упрочнению поверхности анода.

4. Исследованы процессы очистки внутренней поверхности анодных блоков рентгеновских трубок прострельного типа с использованием различных типов тлеющего разряда. Установлено, что очистку боковой поверхности анода целесообразно осуществлять, применяя разряд с полым катодом, а очистку бериллиевого диска — с использованием высоковольтного тлеющего разряда.

5. Разработана технология нанесения металлических покрытий на бериллиевое окно и анодное окончание рентгеновских трубок прострельного типа методом магнетронного распыления, а также создана технологическая установка, позволяющая в едином цикле осуществлять операции очистки и нанесения металлических пленок.

6. Исследован метод молекулярного наслаивания для нанесения на внутреннюю поверхность стеклянных оболочек рентгеновских трубок полупроводящих покрытий оксидов титана TiC>2 и хрома Сг20з. С использованием модельных образцов стекла отработан технологический процесс получения нанослоев и определены продолжительность каждой операции, а также температурный режим. Разработана методика и аппаратура для измерения величины поверхностного сопротивления наносимых покрытий. Установлено, что поверхностное сопротивление.

9 9 наносимых слоев лежит в пределах 10 -2−10 Ом.

7. Разработанные на базе проведенных исследований конструкции и технологии внедрены в производство рентгеновских трубок на предприятии ЗАО «Светлана-Рентген» ОАО «Светлана. Они используются при изготовлении рентгеновских трубок с вращающимся анодом: 30−50БД39−150, 20−40БД40−125, 2−20БД45−125, 2−40БД45−125, 11−30БД49−125, 12−50БД53−125, 30−50БД50−150 и трубок с прострельным анодом БХ6, БХ7, БХ9, БХ10. Само производство этих трубок имеет Международный сертификат качества в соответствии с Международным стандартом ISO-9001.

8. Рентгеновские трубки, в которых используются разработанные в диссертации конструкции и технологии поставляются в 25 стран мира. Экономический эффект от внедрения выполненной работы составил 23 500 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным итогом диссертационной работы явилось решение актуальной научной задачи — исследование, разработка и внедрение прогрессивных конструкций и технологий в производство рентгеновских приборов. В ней изложены научно обоснованные технические решения и технологические разработки, послужившие основой для создания серии рентгеновских приборов повышенного качества и надежности, производство которых имеет Международный сертификат качества в соответствии с Международным стандартом ISO-9001. Эти приборы используются в медицинской, аналитической и промышленной аппаратуре.

Научная новизна работы состоит в:

— разработке метода расчета толщины слоев вольфрама и молибдена многослойных мишеней рентгеновских трубок с вращающимся анодом;

— исследовании процессов очистки внутренней поверхности прострельных анодов рентгеновских трубок с использованием различных типов газового разряда;

— выполнении комплекса теоретических и экспериментальных исследований процессов модификации внутренней поверхности стеклянных оболочек рентгеновских трубок методом молекулярного наслаивания;

Практическая значимость работы и внедрение в производство.

1. Разработана и внедрена в производство технология изготовления мишеней рентгеновских трубок с вращающимся анодом с использованием метода порошковой металлургии.

2. Создана технология нанесения металлических пленочных покрытий на бериллиевые окна прострельных анодов рентгеновских трубок и технологическое оборудование для ее реализации.

3. Разработана технология нанесения на внутреннюю поверхность стеклянных оболочек рентгеновских трубок полупроводящих элементооксидных покрытий.