o Детекторы

Парные чувствительные МОП Линейные Датчики Изображения с симметричным ч (наклон в сторону) расположением. Угловое разрешение 0,014?-0,057?/пиксель

2и-угол легко выбирается вручную путем перемещения детекторов по дугообразному держателю на требуемый угол.

o Коллиматор

Сменный, обеспечивает пятна размером 1,2,3,4 и 5 мм. Специальные коллиматоры поставляются по заказу.

o ч-геометрия с двумя симметрично расположенными детекторами

o Быстро регулируемый 2и-угол

o Управляемые с ПК сервомоторы постоянного тока для всех перемещений

o Три стандартных измерительных расстояния: 50, 75 и 100 мм

o Автоматическая регулировка расстояния от гониометра до точки измерения

o ±ч-наклон и опционный модуль ц-вращения, возможности для ч и ц-осцилляций

o Может работать в любом положении

2.1.3 Программное обеспечение

Дифрактометр Xstress 3000 G3 имеет полностью Windows совместимое программное обеспечение, обеспечивающее потоковую многозадачность.

Из особенностей можно выделить следующие:

o Высокопроизводительное ПО, совместимое с Microsoft Windows

o Одно приложение для взаимодействия с оператором, управления прибором и анализа результатов

o Используется Ethernet для связи между компьютером и основным блоком X3003

o Представляет дружественные к пользователю и управляемые с помощью меню функции

- измерения d•sin²ч

- измерение остаточного аустенита

- анализа напряжений по трем осям ASTRI

o Режим множественных d•sin²ч экспозиций; расчет смещения пика кросс-корреляцией и тремя другими методами

o Библиотека параметров материалов и результатов измерений

o Автоматическая калибровка расстояния от гониометра до образца

o Управление детекторами, сервомоторами постоянного тока, блоком питания, затвором, функциями блокировок защит, и т.п.

o Операционная система Microsoft Windows 2000 Pro, Windows XP, Windows Vista, или более новая

o Опции: программа управления проектами, определение модуля упругости, Щ-режим

2.2 Анализ рентгеновской трубки TFS-3007-HP

В аппаратах Xstress 3000 фирмы «Stresstech Group» применяется рентгеновская трубка TFS-3007-HP американской фирмы «TruFocus Corporation». Для разработки аналога этой трубки было необходимо произвести подробный ее анализ, который включал в себя следующие этапы.

1. Анализ документации.

2. Анализ комплектации.

3. Анализ конструкции.

4. Расчет электрических полей и траекторный анализ.

2.2.1 Анализ документации

В первую очередь была проанализирована вся имеющаяся документация на рентгеновскую трубку TFS-3007-HP производства фирмы «TruFocus Corporation». Из нее были найдены основные параметры трубки [13].

Таблица 3 Основные параметры рентгеновской трубки TFS-3007-HP

Параметр	Значение
Анодное напряжение	5 - 30 кВ
Анодный ток	До 10 мА
Максимальная мощность	300 Вт
Материал мишени	Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Pd, Rh, Ta, Ti, W
Угол выхода рентгеновского излучения	24 градуса
Размер эффективного фокусного пятна	0,5 мм
Вес	0,363 кг

Рис. 22. Общий вид и габариты рентгеновской трубки TFS-3007-HP

2.2.2 Анализ комплектации

Источник рентгеновского излучения TFS-3007-HP включает в себя саму рентгеновскую трубку, а также высоковольтный кабель для подключения к основному блоку аппарата.

2.2.3. Анализ конструкции

Следующим необходимым этапом было исследование конструкции рентгеновской трубки и также анализ технологических решений, применяемых в ее изготовлении.

Анализ конструкции включал в себя поэтапную разборку рентгеновской трубки с обязательным измерением всех размеров и фотографированием на каждом этапе. Конструкция рентгеновской трубки TFS-3007-HP была тщательно проанализирована.

В ходе анализа были измерены все доступные размеры, изучены соединения отдельные деталей и узлов, а также определены материалы, используемые в данной рентгеновской трубке. По полученной в ходе анализа информации был оформлен комплект эскизной конструкторской документации на трубку TFS-3007-HP, по которому также была создана виртуальная трехмерная модель трубки. Ниже приведен сборочный чертеж рентгеновской трубки а также изображения ее трехмерной модели

Рис. 37. Сборочный чертеж рентгеновской трубки TFS-3007-HP

2.2.4 Расчет электрических полей и траекторный анализ

Последним этапом было проведение расчета электрических полей в вакуумном объеме рентгеновской трубки TFS-3007-HP, а также расчет траекторий движения электронов в межэлектродном промежутке. Полученные результаты помогут при разработке конструкции электронной оптики, разрабатываемого аналога. Ниже представлены результаты расчетов (рис. 38-39).

рентгеновский трубка



Рис. 38. Эквипотенциали в промежутке анод-катод

Рис. 39. Траектории электронов в промежутке анод-катод

Проведенный анализ рентгеновской трубки TFS-3007-HP позволил собрать большое количество информации, касающейся не только конструкции рентгеновской трубки, но и технологий, применяемых при ее изготовлении и сборке. Данная информация будет очень полезна на предприятии ЗАО «Светлана-Рентген». Она поможет рассмотреть возможность внедрения альтернативных методов обработки и соединения деталей и узлов рентгеновских трубок.

Раздел 3. Разработка рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr

3.1 Требования к разрабатываемому прибору

Разрабатываемая рентгеновская трубка должна представлять собой полностью совместимый аналог рентгеновской трубки TFS-3007-HP фирмы «TruFocus Corporation» (США) и использоваться в аппаратах ф. «Stresstech Group» (Финляндия). По этой причине необходимо чтобы все входные и выходные параметры новой рентгеновской трубки соответствовали параметрам трубки TFS-3007-HP. Ниже приведен перечень основных параметров, которым должен удовлетворять разрабатываемый прибор.

Технические требования:

1. Трубка должна соответствовать ГОСТ 8490-77.

2. Общий вид, установочные и присоединительные размеры должны соответствовать эскизу (Рис. 22).

3. Материал мишени трубки -- Cr.

4. Охлаждение трубки водяное принудительное. Температура охлаждающей жидкости не более 35°С.

6. Фильтрация излучения --бериллий не толще 0,2 мм.

7. Угол выхода рабочего пучка излучения - 40 х 40 град.

8. Трубка должна быть разработана в исполнении УХЛ 4.1 ГОСТ 15150-69.

9. Электрические параметры трубки приведены в таблице 4.

Электрические параметры разрабатываемой трубки

Таблица 4

Наименование параметра, единица измерения	Буквенное обозначение	Не менее	Норма	Не более
Номинальная мощность трубки, кВт	Р ном			0.3
Номинальное напряжение трубки, кВ	Ua ном	5		30
Размеры эффективного фокусного пятна, мм:	F эф
ширина длина			0,5 0,5	0,75 0,75
Ток трубки, мА	Iа			10
Ток накала, А	If			2,1
Напряжение накала, В	Uf			2,5

Поскольку разрабатываемая рентгеновская трубка должна состоять из трех основных узлов ? анодного узла, катодного узла и изолятора, то и разработку можно поделить на три этапа ? разработку анодного узла, разработку катодного узла, разработку изолятора ? и рассматривать
каждый этап в отдельности. В ходе разработки были выполнены необходимые расчеты, результаты которых представлены в настоящей пояснительной записке.

На основании указанных технических требований, новой рентгеновской трубке было дано обозначение 0,3РСВ1-Cr.

3.2 Разработка анодного узла

3.2.1 Выбор геометрии расположения мишени и выходного окна анодного узла

Разработка анодного узла началась с разработки рентгенооптической схемы. Она включает в себя угол наклона мишени, расстояние от центра мишени до выходного окна и диаметра выходного окна. Все параметры выбирались исходя из необходимости гарантированного получения угла выхода рентгеновского излучения в 40 градусов, а также обеспечения линейного размера эффективного фокусного пятна 0,5мм.

По завершению расчета были получены следующие результаты:

1. Угол наклона мишени к оси трубки: 23?.

2. Расстояние от центра мишени до центра выходного окна: 9,5 мм.

3. Диаметр выходного окна: 8 мм.

Ниже для наглядности приведен эскиз анодного узла с указанными размерами.

Рис. 40. Сборочный чертеж анодного узла

3.2.2 Тепловой расчет анода

Следующий этап разработки анодного узла - выполнение теплового расчета анода. Данный расчет позволяет определить максимальную температуру в наиболее разогреваемых областях анода ? мишени, а также на границе мишень-анод. Это дает информацию о предельно допустимых нагрузках, которые сможет выдержать мишень анода и не расплавиться при этом. Стоит отметить, что на результат также влияет размер фокусного пятна и материал мишени.

Расчет производился в специализированной программе Anod_T_Stat, написанной на языке Visual Fortran, созданной и используемой на предприятии ЗАО «Светлана-Рентген». Для выполнения расчета необходимо ввести исходные данные. К ним относятся геометрические размеры рассчитываемого анода, размеры действительного фокусного пятна, материал и толщину мишени, тип и параметры охлаждения анода, а также мощность, подводимую к мишени.

Поскольку анод разрабатываемой рентгеновской трубки имеет сложную форму, расчет производился для анода упрощенной формы. В качестве эквивалента реальному анода был взять медный цилиндр с диаметром 7,3мм и высотой 7,5мм, из которых 5мм непосредственно охлаждаются водой. На торце анода располагается мишень из Cr толщиной 80 мкм.

Ниже приведены результаты теплового расчета анода.

Исходные данные:

Фокусное пятно линейное Теплоноситель вода Мощность рт квт 0.30 Диаметр фокусного пятна ( круглого ) мм 0.00 Ширина действительного фокусного пятна мм 0.50 0.50 Длина действительного фокусного пятна мм 0.50 1.28 Угол наклона анода град 23.00 Наружный диаметр анода мм 7.30 Толщина мишени мм 0.08 Толщина анода ( без мишени ) мм 2.50 Коэффициент теплоотдачи квт / м²•к 64.46 Средняя температура теплоносителя град 20.00 К-т теплопроводности материала мишени вт/м•к 93.90 К-т теплопроводности материала анода вт/м•к 330.00 К-т температуропроводности материала мишени вт/м•к 30.00 К-т температуропроводности материала анода вт/м•к 85.50 Макс. Допустимая температура нагрева мишени град 1600.0 Макс. Допустимая тем. Нагр. Спая мишень-анод град 700.00 Макс. Допустимая темп. Нагрева торца град 150.00

Параметры системы охлаждения рт:

Диаметр торцевой поверхности радиатора мм 7.20 Высота цилиндрической поверхности радиатора мм 5.00 Наружный диаметр патрубка охладителя мм 3.10 Внутренний диаметр патрубка охладителя мм 2.40 Объёмный расход теплоносителя л / мин 1.00 Средняя температура теплоносителя град. 20.00 Температура центра фокусного пятна град 1019.17 Температура центра спая мишень - анод град 633.54 Температура центра охлаждаемого торца град 134.87



Рис. 41. Кривые распределения температуры мишени по радиусу и по толщине

Рис. 42. Кривые распределения температуры анода по радиусу и по толщине

Полученные результаты полностью удовлетворяют поставленным требованиям и позволяют утверждать, что на мишени рентгеновской трубки не будет появляться подплавлений, расслоений, трещин и других повреждений, связанных с перегревом, при работе в номинальном режиме.

3.2.3 Разработка конструкции анодного узла

Отличие анодного узла новой трубки от анодных узлов большинства рентгеновских трубок, изготавливаемых на заводе ЗАО "Светлана-Рентген", заключается в малых размерах и при этом достаточно большой (для таких размеров) мощности, выделяемой на мишени. Среди выпускаемых заводом рентгеновских трубок у разрабатываемого анода отсутствует аналог, который можно было бы взять за основу. По этой причине конструкция, а также идеология сборки анодного узла новой рентгеновской трубки будет приближена к конструкции и идеологии сборки рентгеновской трубки
TFS-3007-HP.

Анодный узел включает в себя следующие детали и сборочные единицы:

1. Тело анод

2. Анод с нанесенной на него мишенью

3. Экран

4. Блок выходного окна

5. Элементы системы охлаждения (втулка, диск, трубки)

Конструкция анода и тела анода практически полностью повторяют их конструкцию в рентгеновской трубке TFS-3007-HP, за исключением способа нанесения зеркала анода. В трубке TFS-3007-HP мишень представляет собой пластинку из чистого хрома, которая вплавляется в тело анода, после чего шлифуется для достижения необходимой шероховатости поверхности зеркала. В свою очередь на рентгеновскую трубку 0,3РСВ1-Cr хром будет наноситься гальваническим способом, поскольку технология создания хромовых мишеней на предприятии ЗАО «Светлана-Рентген» предполагает именно такой метод. Толщина мишени будет составлять 80 мкм. Это оптимальная толщина зеркала, гарантирующая полное торможение электронов в объеме хрома, а также обеспечивающая достаточный теплоотвод от мишени к аноду.

Экран является дополнительным элементом конструкции, который обеспечивает полную защиту электронного пучка от внешних воздействий электромагнитной природы, и позволяет добиться стабильного положения фокусного пятна и дозы рентгеновского излучения в течении всего времени работы трубки. Это особенно важно в рентгеновских трубках, использующихся для дифрактометрии.

Блок выходного окна состоит из двух втулок между которыми методом диффузионной сварки закреплен круглый лист бериллия необходимой толщины. В целях унификации конструкции в трубку
0,3РСВ1-Cr будет устанавливаться блок выходного окна, который используется в рентгеновской трубке БСВ33. Толщина Be в данном блоке составляет 145 мкм, а диаметр выходного окна равен 8 мм.

Элементы системы охлаждения включают в себя медные трубки по которым будет обеспечиваться ввод и вывод охлаждающей жидкости, втулку, которая разделяет входящие и выходящие потоки жидкости, а также диска, закрывающего систему охлаждения с внешней стороны.

Ниже представлен сборочный чертеж анодного узла с указанием позиций отдельных деталей и сборочных единиц.

Рис. 43. Чертеж анодного узла рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr

Далее был определен порядок сборки и способ соединения деталей между собой. Все соединения будут выполнены при помощи пайки. При этом пайка будет производиться в два этапа при разных температурах, различными припоями и на разных установках.

На первом этапе будет производиться соединение экрана с телом анода высокотемпературным припоем ПМГрОБ (медно-германиевый припой с температурой плавления 1020°С), при этом пайка будет выполняться в атмосфере водорода. При пайке в водородных печах поверхность деталей также дополнительно очищается (как при водородном отжиге).

В ходе следующего этапа тело анода будет соединено с анодом и блоком выходного окна, а также к нему будут присоединены элементы системы охлаждения. В места соединений закладывается припой ПСР72 (медно-серебряный припой; температура плавления 779°С). Детали в процессе пайки будут находиться в вакууме, и разогреваться токами высокой частоты (индукционный нагрев). Это обусловлено физико-химическими свойствами бериллия, который начинает разрушаться при нагреве в присутствии водорода в окружающей среде.

3.3 Разработка катодного узла

3.3.1 Расчет параметров катода

При разработке катодного узла новой рентгеновской трубки в первую очередь было необходимо понять, сможет ли обеспечить вольфрамовый катод с известной геометрией и подаваемой на него мощностью накала необходимый ток эмиссии. Геометрия катода рентгеновской трубки
0,3РСВ1-Cr повторяет геометрию катода трубки-аналога TFS-3007-HP. Для этой цели был произведен расчет основных параметров катода (температура, ток эмиссии, долговечность) [19].

В качестве исходных данных для расчета выбирались мощность накала и геометрия катода.

Ниже приведены основные формулы, а также результаты расчета.

dw = 0,124 ммдиаметр проволоки катода

dk = 0,4 ммдиаметр керна

N = 10число витков

lk = 3 ммдлина катода

Imax = 2,1 Амаксимальное значение катодного тока

Umax = 2,5 Вмаксимальное значение катодного напряжения

T = 2500 Крабочая температура катода

I' = 1526 Аток единичного катода (при T=2500К)

U' = 143.6•10-3 Внапряжение ед. катода (при T=2500К)

M' = 6.63•10-9 г/сскорость испарения ед. катода (при T=2500К)

lw = ммдлина нити катода

Ik = 2.1 Аток накала

Uk = = 2.2 Внапряжение накала

Ie = = 0.019 А = 19 мАток эмиссии

t = = 448 часовдолговечность катода

Как видно из результатов, вольфрамовый катод при заданных мощности накала и геометрии в состоянии обеспечить ток эмиссии равный 19 мА. Это значение почти в 2 раза выше необходимых 10 мА. При этом долговечность такого катода гарантируется более 400 часов, что удовлетворяет условиям поставленной задачи.

3.3.2 Изготовление и испытание макетов катода

Для того чтобы удостовериться в правильности теоретического расчета, был разработан и собран в количестве 2-х штук макет катода на базе катодного узла рентгеновской трубки 0,2БПМ33-100. Макеты представляют собой вакуумные диоды в роли анода, в которых выступает фокусирующая головка катода, электрически изолированная от обоих выводов катода.

В ходе эксперимента были измерены ток эмиссии катода при различных напряжениях смещения (анодных напряжениях; табл.5,6, рис.45), что позволило измерить эмиссионную способность катода, и дало возможность определить, сможет ли катод обеспечить необходимую эмиссию в уже готовой рентгеновской трубке. Кроме этого была снята вольтамперная характеристика накала (табл.7, рис.46) в макетах, а также на одном из них измерена температура спирали катода при различных величинах тока накала (табл.8, рис.47).

Измерение температуры производилось портативным инфракрасным пирометром Cyclops 100b фирмы «Land» (рис.44). Он позволяет производить высокоточные измерения в диапазоне температур от 550 до 3000°С. Измеряемая температура появляется на дисплее в четырех одновременных значениях: продолжительное, пиковое, основное и среднее, которое пользователь может видеть на дисплее видоискателя. Ниже представлены результаты испытаний макетов.

Проверка эмиссионной способности катодов

Макет №1

Таблица 5

Анодное напряжение, В	Ток анода, мА
	Iн1=1,9 А	Iн1=2,0 А	Iн1=2,1 А	Iн1=2,15 А
0	0,24	0,35	0,46	0,52
5	0,85	1,18	1,48	1,65
10	1,33	2,05	2,75	3
15	1,6	2,3	4	4,55
25	1,9	3,7	6,2	7,5
50	2,2	4,55	9	12,1
100	2,3	5,1	10,7	15
150		5,3	11,5	16,4
200	2,35	5,4	12	17,4
250		5,5	12,3	17,8
299			12,7

Макет №2

Таблица 6

Анодное напряжение, В	Ток анода, мА
	Iн2=1,9 А	Iн2=2,0 А	Iн2=2,1 А	Iн2=2,15 А
0	0,24	0,32	0,41	0,46
5	0,85	1,18	1,46	1,6
10	1,32	2,1	2,75	3,05
15	1,65	2,9	4,1	4,6
25	1,9	3,9	6,9	7,6
50	2,2	4,95	9,6	12,5
100	2,45	5,7	11,6	15,8
150	2,6	6	12,5	17,2
200	2,75	6,3	13,2	18,2
250	2,8	6,55	13,7	18,8
299	3,15	6,8	14,1	19,4

Вольтамперная характеристика катодов

Таблица 7

Ток катода, А	Напряжение катода, В
	Макет №1	Макет №2
1,5	1,1	1
1,75	1,5	1,45
1,9	1,85	1,8
2	2,05	2
2,1	2,3	2,25
2,15	2,4	2,35

Измерение температуры катода (макет №2)

Таблица 8

Ток накала, А	Температура спирали, єC
1,5	1539
1,75	1758
1,9	1898
2	1996
2,1	2045
2,15	2111

Рис. 45. Зависимость тока анода от анодного напряжения при различных значениях тока катода

На графике (рис. 45) видно, что при максимально допустимом значении тока накала Iн=2,1А, а также напряжении анода Uа=300В, ток эмиссии с катода уходит в область насыщения и равен при этом Iа₂=13мА и Ia₁=12,5мА для макета №2 и №1 соответственно. Оба значения выше величины требуемого анодного тока Iа=10мА, что дает гарантию получения необходимого тока эмиссии в собранной рентгеновской трубке 0,3РСВ1-Cr при ее работе в номинальном режиме.

Чертеж, а также фотографии макетов катодных узлов представлены в приложении 1.

Рис. 46. Вольтамперная характеристика катодов

Рис. 47. Зависимость температуры спирали катода от тока, проходящего через катод

Кривая зависимости температуры катода от тока накала, а также вольтамперные характеристики катодов вполне соответствуют теоретическим предсказаниям.

3.3.3 Разработка конструкции катодного узла

Основная проблема, с которой пришлось столкнуться при разработке конструкции катодного узла, его малые размеры. На момент разработки катодного узла для рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr на предприятии ЗАО «Светлана-Рентген» не было разработано ни одного катодного узла, имеющего одновременно схожие габариты и выдаваемый ток эмиссии.

Разработка нового узла началась с выбора идеологии сборки, которая бы позволила обеспечить соблюдение необходимых допусков в процессе сборки узла при сохранении возможности уменьшения его габаритов, а также упростить этот процесс для рабочих-монтажниц.

Из-за малых размеров катодной головки, оказалось невозможно применение стандартного метода установки катода (с закреплением ножек катода винтом). По этой причине за основу была взята идеология установки катода, которая используется в рентгеновских трубках 0,2БДМ7-50 и БХ9. Ниже приведен чертеж катодного узла рентгеновской трубки БХ9.

Рис. 48. Чертеж катодного узла рентгеновской трубки БХ9

1 - катодная ножка; 2 - чехол; 3 - плющенки; 4 - катодная головка.

В данной конструкции катод с керном (стержень, на который происходит навивка спирали катода) устанавливается в держатель при помощи оправки, за счет которой выдерживается необходимое расстояние от оси керна до поверхности держателя. Затем катод приваривается при помощи контактной сварки. Посадка катода в катодной головке (рис. 48, 4) обеспечивается точностью изготовления катодной головки, которая имеет очень малые допуска по высоте. Затем через монтажные отверстия в стойке концы катода привариваются к катодной ножке (рис.48, 1) при помощи никелевых полос (рис. 48, 3). Последним этапом является установка катодного чехла, который прикрывает всю катодную арматуру и за счет своей формы сглаживает электрическое поле внутри вакуумного объема трубки. Ниже представлен сборочный чертеж катодного узла рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr с указанием позиций отдельных деталей и сборочных единиц.

Рис. 49. Чертеж катодного узла рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr

Катодный узел включает в себя следующие детали и сборочные единицы:

1. Катод

2. Никелевые трубки

3. Изолятор

4. Вывод

5. Пистон

6. Держатель

7. Ножка

8. Стойка

9. Катодная головка

10. Чехол

В рентгеновской трубке 0,3РСВ1-Cr используется линейный прямонакальный вольфрамовый катод (1). Его геометрические параметры следующие: диаметр нити вольфрама 0,124мм, диаметр керна 0,4мм, длина спирали 3мм, количество витков 10. Данный катод обеспечивает необходимый ток эмиссии и позволяет гарантированно получить величину анодного тока Ia=10мА.

Соединение катода с выводами обеспечивается методом контактной сварки (через место соединения пропускается ток в десятки ампер), но поскольку вольфрам достаточно сложно приварить подобным методом из-за его очень высокой температуры плавления, для обеспечения данного соединения концы катода устанавливаются в никелевые трубки (2) и обжимаются ими для обеспечения электрического контакта. Далее уже никелевые трубки с заправленными в них концами катода привариваются к соответствующим выводам в держателе контактной сваркой. Приварка катода к выводам держателя, производится на специальной оправке, которая точно задает расстояние от оси спирали катода до торца держателя.

Один из концов катода соединяется с изолятором (3) - это вывод катода, электрически изолированный от всей катодной арматуры, для обеспечения прохождения накального тока через спираль катода. Изолятор имеет специальную «юбочку», которая приваривается к стальному держателю (6) контактной сваркой.

Второй конец катода соединен с молибденовым выводом (4), закороченным на держатель. Соединение этого вывода с держателем производится через пистон (5), также методом контактной сварки.

Держатель (6) устанавливается на стойку (8) при этом соединение осуществляется при помощи точечной лазерной сварки. Стойка представляет собой основную соединительную деталь. Материал стойки - сталь. Она имеет посадочные места для катодной головки (9) и чехла (10), а сама устанавливается на металло-ситалловую ножку (7).

Выводы катода с обратной стороны держателя соединяются контактной сваркой с выводами ножки (7) через «плющенки» (небольшие полоски из никеля). При этом соединение производится через специальные технологические отверстия в стойке.

Далее на держатель устанавливается катодная головка (сталь) и приваривается к нему лазерной сваркой. Расстояние от внешнего края катодной головки до посадочного места, на которое устанавливается держатель, имеет очень «жесткие» допуска, тем самым обеспечивается точная посадка катода внутри катодной головки.

На заключительном этапе сборки поверх катодной головки надевается стальной чехол и устанавливается на посадочное место, которое располагается на стойке.

Чехол фиксируется лазерной приваркой к катодной головке. В качестве материала большинства деталей катодного узла применяется сталь 10. Она удовлетворяет вакуумным свойствам, необходимым для работы прибора, и при этом недорога.

На этом процедура сборки катодного узла заканчивается, и он поступает на заварочный участок, где с помощью огневой заварки катодный узел соединяется с баллоном рентгеновской трубки.

3.3.4 Траекторный анализ электронного пучка в межэлектродном промежутке

Заключительный этап разработки катодного узла - определение оптимальной геометрической формы щели катодной головки, а также выбор глубины посадки катода в ней для получения фокусного пятна необходимых размеров.

Для этих целей был выполнен программный расчет траекторий электронного пучка в конструкции рентгеновской трубки с различными размерами щели. Далее на основе полученных результатов была выбрана конструкция, при которой фокусное пятно имело наименьшие размеры. Расчет производился с помощью программного комплекса TAU, который применяется на предприятии ЗАО «Светлана-Рентген» для траекторного анализа Программный комплекс TAU предназначен для моделирования потоков заряженных частиц в статическом и квазистационарном приближении в электронных приборах и установках различного назначения. Моделирование электродов производилось в графическом редакторе Constructor Electron Devices (CED). Он применяется для построения и редактирования 2D и 3D конструкций при моделировании электронных приборов с помощью программного комплекса TAU.

Форма щели катодной головки определяется несколькими размерами. Прежде всего, это наружная ширина щели (рис.50,W) и ее глубина
(рис.50,h). Кроме этого существенное значение имеет глубина посадки спирали катода (рис.50,x) относительно паза в головке, и ширина самого паза (рис.50,w). От выбора этих размеров в большей степени зависит траектория электронного пучка. Поскольку на начальном этапе разгона скорость электронов еще не высока, в области катода они легко изменяют траекторию своего движения под действием внешнего электрического поля, в то время как в анодной области траекторию электронного пучка изменить уже достаточно сложно в виду высокой скорости электронов и, как следствие, их большой инерции.

Ниже показано изображение щели катодной головки рентгеновской трубки TFS-3007-HP, с указанием основных размеров.



Рис.50. Форма щели катодной головки с обозначением размеров, определяющих форму щели (в скобках указаны размеры щели для трубки TFS-3007-HP)

На основании выполненных расчетов была выбрана форма катодной щели для трубки 0,3РСВ1-Cr, имеющая следующие размеры:

W = 3,6 мм

W = 1,5 мм

h = 2 мм

x = 0,15 мм

Размер фокусного пятна при такой конфигурации катодной щели составляет 0,4 мм (если за границу фокусного пятна принимать 25% интенсивности от максимума).

Результаты расчета траектории электронного пучка и размера фокусного пятна представлены в приложении 2.

3.4 Разработка изолятора

3.4.1 Разработка баллона

Рентгеновская трубка 0,3РСВ1-Cr имеет баллон цилиндрической формы, который будет поставляться немецкой фирмой Schott. Стекло из которого выполнен баллон имеет марку 8245. Это боросиликатное, в котором щелочные компоненты в исходном сырье заменены на окись бора (B₂O₃). Этим достигается повышенная химическая стойкость и малый коэффициент температурного расширения -- до 3,3·10^?6 при 20°C. Малое значение коэффициента температурного расширения позволяет стеклу не трескаться при резких изменениях температуры. Этим обусловлено его применение в качестве материала для изготовления баллонов рентгеновских трубок, поскольку испытывают частые термические нагрузки.

Диаметр баллона выбирался исходя из необходимости обеспечения предельно возможной электрической прочности трубки. С внутренней стороны необходимо было обеспечить минимально допустимый зазор в 2 мм между баллоном и анодным экраном, который имеет диаметр 18 мм.

С внешней стороны диаметр баллона ограничен диаметром кожуха, расстояние до которого и будет определять электрическую прочность прибора. Чем оно больше, тем большее напряжение сможет выдержать рентгеновская трубка. Кожух имеет внутренний диаметр равный 30,5 мм.

В конечном итоге был выбран баллон с внешним диаметром в 24 мм и толщиной стекла 1,5 мм.

3.4.2 Определение напряженностей электрического поля в вакуумном объеме рентгеновской трубки

Для того чтобы гарантировать отсутствие электровакуумных разрядов в приборе во время его работы, был выполнен расчет напряженностей электрического поля в вакуумном промежутке.

Расчет производился в специализированной программе POLE_U_E_F. Она написана на языке Visual Fortran, и используется на предприятии ЗАО «Светлана-Рентген» для нахождения распределения электрических полей внутри вакуумного объема электронных приборов. Для выполнения расчета необходимо задать конструкцию электродов и подаваемое на прибор анодное напряжение. Ниже можно ознакомиться с результатами расчета.

Рис. 51. Распределения потенциалов в вакуумном объеме рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr



Рис. 52. Распределение полной напряженности в вакуумном объеме рентгеновской трубки 0,3РСВ-Cr

Расчет показал, что предельное значение напряженности электрического поля располагается в области катодной головки и равно 12,4кВ/мм, что является допустимой величиной. Опасные значения напряженности электрического поля в вакуумном объеме рентгеновской трубки начинаются от 15кВ/мм и выше.

3.5 Разработка кожуха

Поскольку рентгеновская трубка 0,3РСВ1-Cr должна иметь защиту от неиспользуемого рентгеновского излучения, конструкция разрабатываемого прибора включает кожух, который поглощает все неиспользуемое излучение.



Рис. 53. Чертеж кожуха рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr

Кожух состоит из следующих деталей:

1. Герметик - специальный наполнитель на основе кремнийорганических каучуков. В его задачи входит обеспечение электро- и теплоизоляции между катодом рентгеновской трубки и кожухом.

2. Внутренняя Труба, изготовленная из свинца обеспечивающая полное поглощение фонового рентгеновского излучения, исходящего от различных узлов рентгеновской трубки.

3. Внешняя Труба - является силовым узлом, который придает жесткость всей конструкции прибора, а также обеспечивает защиту от коррозии всех последующих узлов.

4. Фланец, в котором закрепляются трубки охлаждения анода.

5. Втулки, для подсоединение шлангов системы охлаждения.

6. Высоковольтный кабель питания рентгеновской трубки.

Сборка кожуха рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr начинается с подсоединения к выводам рентгеновской трубки высоковольтного кабеля (6). После чего в оправке происходит заполнение свободного пространства между трубкой и оправкой специальным двухкомпонентным герметиком (1). После застывания наполнителя сверху конструкция обертывается листом свинца (2) толщиной 0,5мм. Далее на трубку надевается стальной кожух (3), который крепится к трубке винтами со стороны анода. Следом в конструкцию устанавливается фланец (4), который также крепится к кожуху при помощи винтов. На заключительном этапе сборки со стороны фланца на трубки охлаждения надеваются патрубки, которые фиксируются эпоксикаучуковым клеем «Экан-3».

3.6 Разработка документации

3.6.1 Разработка эскизной конструкторской документации

Для изготовления рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr в первую очередь было необходимо создать эскизную конструкторскую документацию. На данный момент эскизная документация на рентгеновскую трубку 0,3РСВ1-Cr полностью готова и включает в себя 26 листов с чертежами деталей, а также 20 листов сборочных чертежей. Копии чертежи деталей отданы в цех механической обработки, где по ним производится изготовления деталей. На основе сборочных чертежей выполняется разработка необходимых оправок для обеспечения точной сборки отдельных деталей и узлов трубки. Чертежи для ознакомления с конструкцией рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr представлены в приложении 3.

3.6.2 Разработка программы тренировки и испытаний

Для обеспечения стабильной работы рентгеновской трубки в номинально режиме необходимо произвести ее тренировку и последующие испытания. В ходе тренировки сначала на трубке устанавливают ток 1-2мА при анодном напряжении порядка 1/3 от номинального и в течении 60-120 минут постепенно повышают напряжение и ток вплоть до номинальных значений по мощности и 10% перегруза по напряжению.

На данный момент в метрологический отдел ЗАО «Светлана-Рентген», который разработкой программ тренировки и испытаний рентгеновских трубок, передана вся необходимая информация по трубке 0,3РСВ1-Cr, и к моменту ее изготовления данные программы будут написаны.

3.6.3 Разработка программы откачки

Откачкой называется процесс удаления из объема рентгеновской трубки всех газов, как свободных, так и растворенных в деталях и снижения скорости их выделения из внутренних элементов прибора, включая и оболочку, до величины меньшей или равной скорости поглощения этих газов обезгаженными внутренними элементами. При этом, если процесс удаления газов из объема ЭВП не вызывает особых затруднений и длится (в зависимости от его объема) от десятков секунд до десятков минут, то процесс снижения скорости выделений газов из внутренних элементов прибора требует длительного их обезгаживания при высокой температуре.

Конечной целью откачки ЭВП является получение низких рабочих и остаточных давлений газов в объеме прибора. В большинстве современных ЭВП рабочее давление составляет (10^-3ч10^-7) Па. Столь низкие давления в рабочем пространстве приборов необходимы для обеспечения их нормальной работы.

Откачка рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr будет производиться на стационарном откачном посту по стандартной схеме, которая включает в себя общую тепловую обработку, обезгаживание катода и тренировку электронной бомбардировкой.

На первом этапе трубку подключают к вакуумному посту и осуществляют предварительную откачку до достижения в системе давления 5•10^-5мм рт.ст.

Далее производится прогрев трубок в печи с одновременным обезгаживанием катода.

На последнем этапе происходит обезгаживание анода электронной бомбардировкой. По окончанию этой процедуры рентгеновская трубка отпаивается. Давление остаточных газов внутри трубки при этом не превышает 5•10^-6. Полная программа откачки рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr представлена в приложении 3.

3.6.4 Разработка технологии сборки

Сборка рентгеновской трубки предполагает наличие соответствующей документации, в которой бы были указаны все технологические процедуры, применяемые в ходе сборки прибора, а также их порядок. Кроме этого необходимо разработать и изготовить оснастку, используемую при сборке, и обозначить ее в соответствующей документации.

На данный момент все необходимые данные по рентгеновской трубке 0,3РСВ1-Cr отданы в соответствующие отделы ЗАО «Светлана-Рентген», а именно в «конструкторское бюро по инструментам», где будет выполняться разработка и изготовление необходимой оснастки, а также в «технологическое бюро», которое составит технологическую документацию.

Результаты

В ходе выполнения магистерской диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Произведен полный анализ рентгеновской трубки TFS-3007-HP производства «TruFocus Corporation» (США), в ходе которого было собрано большое количество информации, которая позволит рассмотреть возможность внедрения альтернативных методов обработки и соединения деталей и узлов рентгеновских трубок на предприятии ЗАО «Светлана-Рентген».

2. Были собраны и успешно испытаны 2 макета катода, который будет входить в конструкцию рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr.

3. В ходе разработки рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr были выполнены следующие расчеты:

- тепловой расчет анода;

- расчет параметров катода;

- траекторный анализ электронного пучка в межэлектродном промежутке;

- расчет распределения электрического поля в вакуумном объеме рентгеновской трубки.

4. В соответствии с техническим заданием был создан полный комплект конструкторской документации на малогабаритную рентгеновскую трубку с полной защитой от неиспользуемого излучения 0,3РСВ1-Cr, на основании которого в настоящее время выполняется изготовление деталей и узлов для данной трубки.

5. Разработана программа откачки

6. На данный момент происходит оформление технологической документации, а также выполняется разработка программ для тренировки и испытаний для разработанной рентгеновской трубки

.Список используемой литературы

1. 12-я Международная выставка по неразрушающему контролю и технической диагностике в промышленности [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ndt-russia.primexpo.ru/media/18/pdf/psr_ndt_12.pdf. Дата обращения: 06.05.2012.

2. Ломов А.А. Развитие рентгеновской дифрактометрии и рефлектометрии высокого разрешения для исследования многослойных гетероструктур: Дис. докт. физ.-мат. наук. Москва. 2006. - 369 с.

3. Рентгеновская дифрактометрия: Учеб. пособие / В.А.Лиопо, В.В.Война - Гродно: ГрГУ, 2003. - 171 с.

4. I. Kraus, V.V. Trofimov, Rentgenova tenzometrie, Praha, Academia, 1988, 248 s.

5. Рентгенотехника. Справочник в 2-х томах / Под ред. В.В.Клюева.-М.: Машиностроение, 1992 - Том 2. 1992. 368 с., ил.

6. Уманский М.М. Аппаратура для рентгено-структурных исследований. М.: Физматгиз, 1960. - 348 с.

7. Уманский Я.С. Рентгенография металлов. М.: Металлургия, 1967. - 235 с.

8. Русаков А.А. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977. - 479 с.

9. Хейкер Д.М., Зевин Л.С. Рентгеновская дифрактометрия монокристаллов. Л.: Машиностроение, 1973. - 256 с.

10. Рентгенографический и электроннооптический анализ. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. - Изд-во «Металлургия», 1970, 2-е изд. - с. 366.

11. Иверонова В.И., Ревкевич Г.П. Теория рассеяния рентгеновских лучей. - М.: изд-во Моск. ун-та, 1978. - 278 с.

12. Residual stress, retained austenite, grinding burn and heat treat defect detection by Stresstech Group -Goniometer G3 or G3R [Электронный ресурс] / Режим доступа http://www.stresstechgroup.com/content/en/11501/145/145.html. Дата обращения: 12.05.2012.

13. Trufocus X-Ray - TFS Series 3007 HP X-ray Source - Product Data Sheet [Электронный ресурс] / Режим доступа http://www.trufocus.com/pages/product/Product.php?pid=5Дата обращения: 020.04.2012.

14. С.А. Иванов, Г.А. Щукин, Рентгеновские трубки технического назначения, - Л.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1989. - 200 с.

15. Быстров Ю.А., Иванов С.А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, - 1983.

16. С.А. Иванов, Г.А. Щукин, Рентгеновские трубки для научных исследований промышленного контроля и технологии. Обзоры по электронной технике. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы. - М.: ЦНИИ «Электроника», 1982, вып. 1(867). - 48 с.

17. Гаджиев А.М., Герасимов В.С., Корнеев В.Н. и др. Combination of optical and small - angle X-ray scatterig diffractometers in the hightime-resolution method for structurel stadies//NIM. A282, 1989.

18. Асланов Л.А. Инструментальные методы рентгеноструктурного анализа. - М.: изд-во МГУ, 1983. - 288 с.

19. Ю.А. Кацман. Электронные лампы, - М.: «Высшая школа» 1979. - 303с.

Приложение А

чертеж макета для испытания катода рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr

Рис. А.1

Приложение Б

траекторный анализ электронного пучка и расчет размеров фокусного пятна рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr

Рис. Б.1

Рис. Б.2

Приложение В

габаритный чертеж рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr

Рис. В.1

сборочный чертеж рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr

Рис. В.2

Приложение Г

программа откачки рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr

1. Подготовка трубок к откачке.

Проверить трубки на отсутствие посторонних частиц внутри трубки, внешних дефектов.

Расправить накальные выводы трубок, надеть на них стеклянные трубочки до упора в жесткие штырьки. Проверить омметром наличие контакта в цепи катода.

Напаять трубки на вакуумные системы.

Запустить вакуумные системы согласно СПО.054.215ТК.

Подсоединить выводы катода к соответствующим клеммам поста и соединить корпус трубки с любым катодным выводом.

Проверить наличие контакта в цепи катода кратковременным включением напряжения накала (ток накала не более 1 А). Давление в системе при этом должно быть не более 5*10-5мм рт.ст.

Опустить печь общего прогрева.

2. Прогрев трубок в печи и обезгаживание катода.

Включить печь общего прогрева. Давление в системе при этом должно быть не более 1*10-5 мм рт.ст.

Поднять температуру печи до 4800С за время не менее 30 мин. Давление в системе при подъеме температуры должно быть не более 2*10-4 мм рт.ст.

Примечание: 1. Включить прогрев элементов вакуумных систем одновременно с включением печи общего прогрева.

2. Выключить прогрев элементов вакуумных систем после выдержки при температуре 420⁰С.

Произвести обезгаживание трубок в печах и обезгаживание катода согласно режиму, указанному в таблице 1.

Таблица Г.1

Температура печи,0С	Время выдержки, мин.	Ток накала, А	Давление в системе в конце выдержки, мм рт.ст., не более
480	120	-	1*10-5
420	60	-	8*10-6
420	3	0,5	5*10-6
	3	1
	3	1,5
	3	1,8
	3	2

Выключить печь общего прогрева.

Продолжать обезгаживание катода по режиму, указанному в таблице 2.

Таблица Г.2

Время выдержки, мин.	Ток накала, А	Давление в системе в конце выдержки, мм рт.ст., не более
60	2,1	5*10-6
15	2,3

Снизить ток накала до 1 А и оставить до электронной бомбардировки.

Поднять печь общего прогрев при достижении температуры 1800С.

3. Обезгаживание анодов трубок электронной бомбардировкой.

Подсоединить к аноду трубок вывод от высоковольтного выпрямителя, заизолировав его от металлических частей поста.

Произвести тренировку трубок по режиму, указанному в таблице 3.

Таблица Г.3

Напряжение трубки, кВ	Трок трубки, мА	Ток накала, А. не более	Время выдержки, мин	Давление в системе в конце выдержки, мм рт. ст., не более
			подъема	выдержки
30	0,1	2,1	-	60	5*10-6
30	0,2	2,1	-	10

Снизить напряжение трубок до нуля.

Отсоединить вывод высоковольтного выпрямителя от трубок.

Снизить ток накала до нуля.

Выключить напряжение накала.

Отсоединить вывод трубок от выводов поста.

4. Отпайка трубок.

Отпаять трубки. Давление в системе перед отпайкой должно быть не более 5*10-7 мм рт.ст.

Выключить вакуумные системы согласно СПО.054.215ТК.

Размещено на Allbest.ru