Методы и результаты исследования материалов катодов мощных рентгеновских трубок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Ясколко, Антон Андреевич

• Ясколко, Антон Андреевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ясколко, Антон Андреевич

ВВЕДЕНИЕ.:.

ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИИ И МАТЕРИАЛЫ КАТОДОВ

РЕНТГЕНОВСКИХ ТРУБОК.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ НА ОБРАЗЦАХ В

ВИДЕ ФОЛЬГ.

2.1 Метод и результаты измерения электросопротивления и степени черноты.

2.2. Метод и результаты измерения теплопроводности.

2.3. Метод и результаты исследования эмиссионных характеристик.

2.4. Метод и результаты измерения теплоемкости.

2.5. Метод и результаты испытаний образцов катодов на сопротивление высокотемпературной ползучести.

2.6. Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. ТЕРМООБРАБОТКА МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ВОЛЬФРАМА.

3.1 Влияние термообработки на структуру фольг из модифицированного вольфрама.

3.2. Влияние термообработки на текстуру фольг из модифицированного вольфрама.

3.3 Влияние термообработки на деформацию при испытаниях катодов.

3.4 Влияние термообработки на теплофизические свойства фольг модифицированного вольфрама.

3.5 Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ КАТОД С ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫМ ЭМИССИОННЫМ ПОКРЫТИЕМ.

4.1. Диффузионная сварка фольг и Та.

4.2. Материаловедческие исследования исходного состояния биметаллических образцов, полученных методом диффузионной сварки.

4.3. Исследование эмиссионных характеристик биметаллических катодов

4.4. Материаловедческие исследования биметаллических катодов после испытаний.

4.5 Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5 СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ КАТОДОВ ИЗ MOHO- И

ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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°С, для разработки конструкции и оценки его работоспособности необходимо знать тепло- и 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 резка -Диффузионная сварка -Термообработка

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 тепло- и 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 тепло- и электрофизических (электросопротивление, степень черноты, теплопроводность, теплоемкость, работа выхода электронов) свойств материалов на образцах в виде фольг при температурах до 2400°С.

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

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

• 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°С 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 тепло- и электрофизических (электросопротивление, степень черноты, теплопроводность, теплоемкость, работа выхода электронов) свойств материалов на образцах в виде фольг при температурах до 2400°С.

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 тепло- и электрофизических (электросопротивление, степень черноты, теплопроводность, теплоемкость, работа выхода электронов) свойств материалов на образцах в виде фольг при температурах до 2400°С;

2. Результаты исследований тепло- и 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°С;

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.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Ясколко, Антон Андреевич

выводы

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

2. Разработаны методы исследования тепло- и электрофизических (электросопротивление, степень черноты, теплопроводность, теплоемкость, работа выхода электронов) свойств материалов на образцах в виде фольг при температурах до 2400°С. 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°С;

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ясколко, Антон Андреевич, 2010 год

1. Н.Н. Потрахов. Метод и особенности формирования теневого рентгеновского изображения микрофокусными источниками излучения// Вестник новых медицинских технологий. T.XIV. №3. с.167-169. (2007).

2. Н.Н. Потрахов. Микрофокусная рентгенография новое направление в медицинской диагностике // www.eltech-med.ru/pub.html.

3. Pogany, D. Gao, S.W. Wilkins. Contrast and resolution in imaging with a microfocus x-ray source // Rev. Sci. Instrum., Vol. 68, No. 7. 2774-2782 (1997).

4. N. Daneke, B. Schanklies. From Microfocus To Nanofocus X-Ray Inspection // OnBoard Technology. 42-44. (2004)

5. H. Uchida, K. Hasuike, K. Torii, H. Tsunemi. Contrast Enhance Imaging with Microfocus X-Ray Generator and CCD Camera // Proc. 8th Int. Conf. X-ray Microscopy.411-413. (2005).

6. Fundamentals of Microfocus Radiography // www.shieldalloys.com/articles/nl01.htm.

7. Н.Н. Потрахов, А.И. Мазуров. Особенности микрофокусной рентгенографии в медицинской диагностике // Медицинская техника. №2. С.29-31.(2005).

8. Ф.Н. Хараджа. Общий курс рентгенотехники. M.-JL: Госэнергоиздат, 1956.564 с.

9. Таубин М.Л., Платонов В.Ф., Ясколко А.А. Катоды рентгеновских трубок медицинского назначения // Мед. техника 2009. - 1(253). -С.44-47.

10. Ю.Минэ Ким. Металлические материалы для электронных ламп. М.¡"Энергия", 1966г., 631стр.

11. US Patent 2,919,373. 1959. D.F.Riley

12. US Patent 3,307,974 1967г E.J. Davis13.US Patent 3,777,209 1973.14.US Patent 4,344,011 1982.

13. US Patent 4,730,353 1987, Toshiba Hitachi, Ltd

14. US Patent 6,259,193 2001, GE

15. Свойства и применение металлов и сплавов для электровакуумных приборов. Под общей ред. Р.А. Нилендера. М., « Энергия», 1973.

16. C.L. Briant. On the Formation of Potassium Bubbles in Tungsten Rod // Metallurgical Transaction A. V.20A. 179-184 (1989).

17. S. Yamazaki, S. Ogura, Y Fukazawa, N. Hatae. The effect of bubble dispersion on high-temperature tensile behaviour of doped tungsten wire // High Temperature High Pressure. V.10. 329-339 (1978).

18. P.K. Wright. The High Temperature Creep Behavior of Doped Tungsten // Wire. Metallurgical Transactions A. V.9A. 955-963 (1978).

19. M.JI. Таубин, A.C. Гонтарь, В.Ф.Платонов и др. Электроды мощных рентгеновских трубок на основе монокристаллов W и Мо // НТО ФГУП НИИ НПО «Луч» №7954 н/б, 2004 г., 25 с.

20. А.И. Евстюхин, А.А. Русаков, Я.И. Гаврилов и др. Структурные и морфологические особенности монокристаллов вольфрама, полученных газофазным методом. Сб. Тугоплавкие металлы, сплавы и соединения с монокристаллической структурой. М.: Наука, 1984 г, 259 с.

21. В. Эспе. Технология электровакуумных материалов, том 1, пер. с немецкого. ГЭИ, Москва. 1962 г, 631 с.

22. В.С. Чиркин. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Атомиздат. Москва. 1968 г, 484 с.

23. JI.H. Добрецов, М.В. Гомоюнова. Эмиссионная электроника. М.: «Наука», 1966 г, 564с.

24. А.Н. Гордов. Основы пирометрии. М.Металлургия, 1971 г, 448 с.

25. В.С.Фоменко. Эмиссионные свойства материалов. Накова думка. Киев. 1970. 134с.

26. Д. Протопопов, И.В. Стригущенко // Физика твердого тела, 1968, 10, №3, с.943-945.

27. Б.И. Дюбуа и др. Работа выхода электронов граней (100), (111) и (100) монокристаллов сплавов вольфрама с танталом // ФТТ, № 5, 1975, с.1503.

28. M.JI. Таубин М.Л., В.Ф. Платонов, А.А. Ясколко. Катоды рентгеновских трубок медицинского назначения // Мед. техника 2009. - 1(253). -с.44-47.

29. Ю.В.Николаев, А.А. Ястребков, А.С. Гонтарь. и др. Базовые материалы и технологии в обеспечение длительного ресурса и эффективности ЭГК// Сб. тр. ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» 2000-2002. М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2003. С.24-28.

30. Г. Вассерман, И. Гревен. Текстуры металлических материалов. М.: «Металлургия», 1969.

31. P.Shade. Bubble evolution and effects during tungsten processing // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials 20, 301 (2002).

32. Z. Chen, T. Zuo, and M. Zhou The Recrystallization Mechanism of Doped Tungsten Wire // Journal of Materials Science Letters 9, 782 (1990).

33. D.B. Snow. The Identification of Second Phases Within Bubbles in Annealed Doped Tungsten Wire // Metallurgical Transactions. V.5. 23752381 (1974).

34. B.P. Bewlay, C.L. Briant. Discussion of "Evidence for the Existence of Potassium Bubbles in AKS-Doped Tungsten Wire" // Metallurgical Transactions A. V.22A. 2153-2155 (1991).

35. D.B. Snow. The Recrystallization of Commercially Pure and Doped Tungsten Wire Drawn to High Strain // Metallurgical Transactions A. V. 1 OA. 815-821 (1979).

36. Van der Waals Approximation for Potassium Bubbles in Tungsten. Metallurgical and Materials Transactions В. V.27B. 987-992 (1996).

37. J.L. Walter, E.F. Koch. The Relationship of Microstructure to Mechanical properties of Al-, Si, K- doped tungsten wire // Journal of Materials Science. 26. 505-509. (1991).

38. C.L. Briant, O. Horacsek, K. Horacsek. The Effect of Wire History on the Coarsened Substructure and Secondary Recrystallization of Doped Tungsten//Metallurgical Transactions A. V.24A. 843-851 (1993).

39. C.L. Briant. Potassium Bubbles in Tungsten Wire // Metallurgical Transactions A. V.24A. 1073-1084 (1993).

40. B.P. Bewlay, C.L. Briant, M.L. Murray. Molybdenum-Tungsten Interdiffusion and the Influence on Potassium Bubbles in Tungsten Lamp Wire // Metallurgical and Material Transactions A. V.29A. 2933-2939 (1998).

41. Hein Peter Stuwe. A Model for the Formation of the Non-Sag Structure of Potassium-Doped Tungsten Wire // Metallurgical Transactions A. V.17A. 1455-1459. (1986).

42. L. E. Iorio, B. P. Bewlay and M. Larsen. Dopant Particle Characterization and Bubble Evolution in Aluminium-Potassium-Silicon-Doped Molybdenum Wire // Metallurgical Transactions A. V.33. №11 3349-3356. (2002).

43. Arpad Barna, Julius Stark. Analytical Determination of the Potassium Content of Single Bubbles in Annealed Tungsten Wires // Metallurgical Transactions A. V.9A. 595-596 (1978).

44. A.Len, P.Harmat, G.Pepy, L.Rosta. SANS Investigation of Potassium Morphology in Bubble Inclusions of Sintered Tungsten // Applied Physics A. A74. 1418-1420. (2002).

45. Я.Е. Гегузин. Диффузионная зона. M.: «Наука», 1979 г, 344 с.