ИСТОЧНИК МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗБОРНОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ
SOFT X-RAY SOURCE BASED ON DEMOUNTABLE X-RAY TUBE

Изобретение относится к области рентгеновской техники и предназначено для использования в качестве источника мягкого рентгеновского излучения с различными длинами волн для калибровки приемников излучения.
2
4
В настоящее время актуальным является повышение точности измерения выходных параметров мощных импульсных источников мягкого рентгеновского излучения (МРИ) типа «Z-пинч» на основе взрывомагнитных генераторов тока. Во взрывных и модельных экспериментах измеряются энергия, мощность, амплитудно-временные и спектрально-временные параметры импульсов МРИ, применяются приемники мягкого рентгеновского излучения (ПМРИ), требующие калибровки. К ПМРИ относятся: вакуумный рентгеновский диод (ВРД), полупроводниковый диод (ППД), сцинтилляционный детектор (СД), болометр и прочие. Характеристики приемников могут меняться от эксперимента к эксперименту под воздействием: МРИ, ударных волн, продуктов имплозии лайнерной плазмы. Для калибровки детекторов с целью оперативного обновления элементов методического оснащения взрывных и модельных экспериментов необходим лабораторный источник МРИ с энергией ε=10…10 эВ.
Рентгеновские трубки разных модификаций широко используются в качестве источников как мягкого, так и жесткого рентгеновского излучения. Принцип работы рентгеновской трубки заключается в ускорении свободных электронов, эмитированных термокатодом, с последующей бомбардировкой атомов анода-мишени. Термокатод, как правило, изготавливают из торированного вольфрама. В некоторых трубках используются взрывная и (или) автоэлектронная эмиссия, электростатическая и (или) магнитная фокусировка ускоренных электронов. Трубки могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме [Иванов С.А., Щукин Г.А. Рентгеновские трубки технического назначения. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1989]. Спектр, излучаемый трубкой, как правило, определяется материалом анода. Для каждого приложения различные технические реализации источников МРИ имеют свои достоинства и недостатки. Проведенный анализ методов генерации рентгеновского излучения показал, что оптимальным решением задачи калибровки ПМРИ является создание лабораторного источника на основе разборной рентгеновской трубки.
Известен источник мягкого рентгеновского излучения на основе разборной рентгеновской трубки [Новая разборная трубка для мягкого рентгеновского излучения. М.С.Бибишкин и др. «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования», №2, 2003 г.]. Трубка состоит из электронной пушки, водоохлаждаемого анодного блока с четырьмя припаянными мишенями и ионного источника для очистки мишеней. Держатель мишеней с помощью червячной передачи путем вращения шестерни, жестко закрепленной на держателе, поворачивается относительно рентгеновского пучка с возможностью размещения той или иной мишени напротив пучка. Держатель представляет собой трубку, на одном конце которой выполнено посадочное место для подвода охлаждающей воды. Электронная пушка содержит термокатод, представляющий собой торированную вольфрамовую спираль диаметром 1,5 мм, прикрепленную к сменной катодной головке. Фокусирующий электрод представляет собой электростатическую линзу. Для прогрева катодного узла служит внешний нагреватель. Питание осуществляется через сквозные коваровые траверсы. Недостатком данной конструкции источника мягкого рентгеновского излучения является сложность конструкции и ее обслуживания. Размещение мишени напротив катода обусловливает применение ионного источника для очистки мишени от загрязнения продуктами испарения и разложения углеводородов на мишени под действием электронного пучка.
Наиболее близкой к заявляемой конструкции источника мягкого рентгеновского излучения является конструкция на основе разборной откачиваемой рентгеновской трубки по патенту US 3138729 «Ultra Soft X-Ray Source» (публикация 23.06.1961), которая выбрана в качестве прототипа. Известная конструкция включает в себя металлический корпус, к которому крепится металлическое основание с расположенными на нем анодом и термокатодным узлом с вакуум-плотными и электрически прочными вводами для подачи питания, а также элементы фокусирующей системы и систему охлаждения. Анод выполнен в виде треугольной призмы с глухим отверстием для подвода охлаждающей жидкости, соединенный с помощью резьбового соединения с высоковольтным вводом для соединения с источником питания высокого напряжения. Анод снабжен съемными мишенями, выполненными в виде тонких V-образных пластин из материалов с различными характеристическими линиями излучения. Термокатодный узел включает два электрода, вольфрамовую нить накала. Один электрод соединен с основанием, а другой является частью низковольтного ввода, к которому приложено напряжение источника питания. Система фокусировки включает элементы, направляющие и ускоряющие электроны. Направляющими элементами являются внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса и фокусирующий электрод, размещенный за термокатодным узлом. Ускоряющие элементы представляют собой проволочную сетку, закрепленную на аноде. Система охлаждения образована системой связанных между собой каналов, выполненных в анодном узле и корпусе, и системой коаксиальных вводов-выводов для подвода и отвода охлаждающей жидкости.
Недостатком известной конструкции является способ соединения анода с вакуум-плотным электрически прочным высоковольтным выводом, которое приводит к определенным сложностям по обеспечению герметичности соединения и точности юстировки, а применение съемных тонких V-образных пластин в качестве мишени анода затрудняет их охлаждение. Применение анода в форме треугольной призмы приводит к генерации двух разнонаправленных пучков излучения, что накладывает ограничение на дальнейшую реализацию диагностических методик, например осложняет выделение отдельной спектральной линии при использовании многослойных рентгеновских зеркал. Следует отметить, что отсутствие компенсатора удлинения вольфрамовой нити при ее разогреве приводит к деформации размеров фокусного пятна. Наличие коаксиальных вводов-выводов для подвода и отвода охлаждающей жидкости усложняет конструкцию.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение конструкции и обеспечение стабильности параметров излучения.
Выполнение системы охлаждения в виде петли трубопровода, электрически связанного с высоковольтным вводом, позволяет совместить в одном элементе функцию охлаждения анода и подвода к нему высокого напряжения, что значительно упрощает конструкцию. Кроме этого выведение анода из системы охлаждения по сравнению с прототипом, где в теле анода выполнены каналы системы охлаждения, позволяет снизить его габариты и выбрать наиболее оптимальные для решения конкретных задач форму, размеры для повышения эффективности и стабильности излучения, а также снять ряд ограничений по выбору материала, например можно использовать графит. Следует также отметить, что выполнение анода в виде отдельного элемента позволяет существенно упростить его замену без герметизации соединения.
Выполнение анода сплошным в форме параллелепипеда позволяет получить одно фокусное пятно на поверхности анода, что упрощает дальнейший процесс применения излучения и таким простым способом повышает интенсивность излучения источника.
Фиксация анода непосредственно на трубопроводе с помощью крепежных элементов упрощает юстировку источника в случае смены анода, что повышает стабильность выходных параметров излучения во времени, кроме того, снимается требование по герметичности соединения анода с трубопроводом.
Снабжение термокатодного узла упругодеформируемой деталью, закрепленной одним концом на одном из электродов термокатодного узла и связанной с нитью накала силовой связью, с возможностью перемещения свободного конца и натяжения нити накала в процессе ее разогрева при подаче напряжения, позволяет использовать более простую форму нити накала и более простую технологию для ее изготовления. Кроме того, обеспечивается требуемое натяжение нити накала в процессе работы (без провисания), что позволяет получить стабильные геометрические размеры фокусного пятна на поверхности анода.
Выполнение фокусирующего электрода в виде детали, частично охватывающей нить накала, позволяет реализовать более эффективную фокусировку потока электронов, эмитированных нитью накала, а также упростить крепление фокусирующего электрода путем его фиксации на одном из электродов термокатодного узла ввиду жесткости конструкции фокусирующего электрода.
Выполнение корпуса с развитой наружной поверхностью для дополнительного пассивного охлаждения позволяет снизить температуру стенок корпуса источника без применения активного охлаждения.
Выполнение упругодеформируемой детали термокатодного узла в виде пружины, к свободному концу которой прикреплена шайба, через которую перекинута нить накала, дает возможность оптимизировать компоновочное решение с использованием стандартных серийно выпускаемых деталей и позволяет экспериментально подобрать наиболее подходящий вариант исполнения без провисания и разрыва нити накала.
Центрирование пружины винтом, головка которого является ограничителем перемещения свободного конца пружины, позволяет организовать перемещение в требуемом направление и как следствие обеспечить требуемое положение нити накала.
Размещение на торце корпуса смотрового окна позволяет произвести визуальный контроль состояния узлов источника.
На фиг.1 изображена конструкция источника, на фиг.2 показаны элементы системы фокусировки и элементы крепления анода с трубопроводом.
Примером конкретного выполнения заявляемого изобретения является источник мягкого рентгеновского излучения на основе разборной рентгеновской трубки, включающий цилиндрический металлический корпус 1 с выходным патрубком. Корпус выполнен с развитой наружной поверхностью для дополнительного пассивного охлаждения в виде выступов 2, высотой 10 мм и шагом 5 мм. К корпусу с помощью фланцевого соединения присоединено основание из нержавеющей стали 3, на котором зафиксированы высоковольтный ввод 4 и низковольтный ввод 5. В высоковольтный ввод 4 встроена петля трубопровода 6 (⌀4-1), на которой закреплен медный анод 7 с помощью трех винтов 8 (М3) и металлической пластины 9. При использовании графитового анода крепеж осуществляется с помощью трех саморезов ⌀3,5 мм. Соединение трубопровода 6 с вводом 4 осуществляется с помощью припоя 22. Термокатодный узел включает в себя заземленный электрод 10, выполненный из нержавеющей стали в виде прутка диаметром 8 мм, который ввинчен до упора в основание 3. Потенциальный электрод 11 соединен с помощью резьбового соединения с низковольтным вводом 5, выполненным в виде медной шпильки М8. Вольфрамовая нить накала 12 диаметром 150 (300) мкм зафиксирована с помощью двух винтов 13 (М4) на потенциальном электроде 11 и на заземленном электроде 10 винтом 14 (М4). Натяжение нити накала осуществляется с помощью пружины 15, центрированной винтом 17 через шайбу 16. На низковольтный ввод 5 может быть дополнительно установлен пассивный радиатор охлаждения.
Фокусирующая система включает в себя:
- П-образный фокусирующий электрод 18, выполненный из медной пластины, частично охватывающий нить накала 12;
- сетку 19, выполненную из U-образных вольфрамовых проволочек диаметром 1 мм, зафиксированных на аноде 7;
- цилиндрическую вставку 20 из алюминиевой фольги, установленную по периметру внутренней поверхности корпуса 1 и в которой выполнена прорезь прямоугольной формы (30×80 мм).
В корпусе 1 предусмотрено смотровое окно 21, выполненное из кварцевого стекла диаметром 80 мм, закрепленное с помощью фланцевого соединения на свободном торце. Вакуумное уплотнение источника обеспечивается с помощью резиновых прокладок и соответствующих им проточек.
Работает заявляемое устройство следующим образом.
-5
После сборки источника мягкого рентгеновского излучения, используя результаты моделирования работы фокусирующей системы, производят юстировку элементов источника, т.е. выставляют угол установки анода 7, положение фокусирующего электрода 18 и сетки 19, а также основания 3. Расчетная траектория движения электронов показана на фиг.2 пунктирной линией, а направление потока излучения - стрелкой. Источник мягкого рентгеновского излучения патрубком присоединяют к камере (на рисунке не показана), которая имеет необходимое диагностическое оснащение для проведения калибровки детекторов мягкого рентгеновского излучения. С помощью масляных форвакуумного и диффузионного насосов осуществляют вакуумирование источника и камеры до остаточного давления газа, не превышающего 10 мм РТ. ст. В трубопровод 6 подают охлаждающую жидкость - воду по длинной водопроводной линии (20 м), стенки которой выполнены из диэлектрика для снижения тока утечки при подаче высокого напряжения на высоковольтный ввод 4. При подаче напряжения положительной полярности 13,5 В (для 150 мкм) и 10 В (для 300 мкм) на ввод 5 происходит накал нити 12 током 3 А (для 150 мкм) и 8 А (для 300 мкм), контролируемый через смотровое окно 21 и показания источника питания. После разогрева нити накала 12 и выхода на требуемый эмиссионный режим термокатодного узла подают высокое напряжение 10 кВ положительной полярности на ввод 4. Эмиссионный ток источника мягкого рентгеновского излучения контролируют (ограничивают) по показаниям высоковольтного источника питания. Типичное значение эмиссионного тока около 60 мА. Электроны, эмитированные нитью накала 12, захватываются электрическим полем и начинают двигаться с ускорением в направлении сетки 19, находящейся под высоким потенциалом. Часть электронов бомбардирует сетку 19, а другая часть пролетает мимо нее и начинает двигаться в силу отражения от заземленной цилиндрической вставки 20 по псевдоэллиптической орбите в направлении анода 7, бомбардируя его поверхность в заданных областях, в результате чего происходит генерация тормозного и характеристического мягкого рентгеновского излучения. Далее излучение коллимируется прорезью вставки 20 и подается на вход диагностической камеры для дальнейшего использования.
Таким образом, предлагаемая конструкция источника мягкого рентгеновского излучения позволяет довольно простым путем получить в лабораторных условиях мягкое рентгеновское излучение, которое может быть использовано для осуществления калибровки детекторов рентгеновского излучения.