ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА
PULSED X-RAY TUBE

Изобретение относится к импульсным рентгеновским трубкам с взрывной эмиссией, предназначенных для использования в импульсных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии металлоконструкций, а также для регистрации быстропротекающих процессов в условиях плохой видимости и решения задач балансировки.
Известна импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус с прострельной мишенью из металла с большим атомным номером, расположенной на внутренней поверхности окна для вывода рентгеновского излучения, катод и изолирующий элемент из стекла в виде полого усеченного конуса, основание которого припаяно к корпусу [Александрович Э.-Г.В., Белкин Н.В., Канунов М.А., Разин А.А. Малогабаритная импульсная рентгеновская трубка с самовосстанавливающимся автокатодом. Сб. Физика и техника импульсных источников ионизирующих излучений для исследования быстропротекающих процессов. / Под. ред. Н.Г. Макеева - Саров, ВНИИЭФ, 1996 г., с.251].
Данная рентгеновская трубка имеет высокий импеданс (100-200 Ом) за счет сравнительно больших размеров межэлектродного промежутка. Она нашла применение в импульсных рентгеновских аппаратах серии «Арина», «Пион» и других для рентгенографирования металлоконструкций толщиной не более 20 мм. При увеличении средней мощности в рентгеновской трубке происходит перегрев и, как следствие, выход из строя вплоть до сквозного прожога ее оболочки из-за перегрева мишени, имеющей плотный контакт с окном оболочки. Долговечность такой рентгеновской трубки ограничена и зависит от режима ее работы. В этой рентгеновской трубке, как и в предыдущем случае, не решен вопрос теплоотвода от мишени, имеющей плотный тепловой контакт с оболочкой (окном) прибора. Так как конструкция рентгеновской трубки выполнена в металлостеклянном исполнении, то оболочка изготавливается из прецизионного сплава, имеющего КЛТР, практически одинаковый со стеклом, и низкий коэффициент теплопроводности. Кроме того, в рентгеновской трубке из-за газовыделений в процессе работы происходит ухудшение вакуума, что также снижает срок службы и ухудшает рентгенотехнические параметры.
Известна также импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде цилиндрического стакана, соединенное с корпусом окно для вывода рентгеновского излучения, выполненное из материала, обладающего свойствами газопоглотителя, мишень, расположенную в корпусе на расстоянии от окна, и внутренний изолирующий элемент с катодом [Патент РФ №2160480, H01J 35/00, H01J 35/02, H05G 1/02, 10.12.2000 г.].
Указанная рентгеновская трубка, имеющая низкий импеданс из-за малых габаритных размеров, используется в медицине для внутриполостных облучений мягким рентгеновским излучением с энергией квантов 50-100 кэВ. К недостаткам такой рентгеновской трубки следует отнести: низкий срок службы из-за плохого теплоотвода с анода и неэффективной работы газопоглотителя, малый угол раскрыва диаграммы направленности рентгеновского излучения, так как корпус рентгеновской трубки закрывает ее фокус, а окно удалено от мишени и имеет форму плоскости. Окно рентгеновской трубки выполнено из материала, обладающего свойствами газопоглотителя (титана). Однако в результате того, что окно отделено от мишени материалом с низкой теплопроводностью, температура окна недостаточна для обеспечения эффективного газопоглощения в процессе работы прибора. Этот недостаток ограничивает долговечность и ухудшает рентгенотехнические характеристики.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является импульсная рентгеновская трубка, содержащая корпус в виде цилиндрического стакана, изготовленный из металла с высокой теплопроводностью, например меди, окно для вывода рентгеновского излучения, выполненное из металла, обладающего свойствами газопоглотителя, имеющее форму шарового сегмента или полушара, край которого охватывает дно цилиндрического стакана, мишень, выполненную из материала с высоким атомным номером, например тантала, расположенную на дне внутри цилиндрического стакана, и изолирующий элемент с катодом [Патент РФ №2384912, H01J 35/22, 10.12.2000 г. - прототип].
Увеличение долговечности с обеспечением высоких рентгенотехнических характеристик при излучении с энергией квантов до 200 кэВ достигается за счет значительного улучшения теплоотвода с мишени, приводящего к снижению эрозии материала мишени, путем обеспечения плотного контакта мишени с корпусом, выполненным из металла с высокой теплопроводностью, например меди, а также за счет повышения эффективности газопоглощения в процессе работы путем обеспечения контакта окна, выполненного из материала, обладающего свойствами газопоглотителя, с наиболее разогреваемой частью корпуса, способствующего быстрому разогреву материала газопоглотителя и выбора формы окна в виде шарового сегмента или полушара, значительно увеличивающего площадь газопоглотителя. Кроме того, расположение мишени внутри шарового сегмента или полушара увеличивает раскрыв диаграммы направленности и создает более равномерное пространственное распределение интенсивности излучения.
-5
К недостаткам этой рентгеновской трубки с взрывной эмиссией следует отнести ограниченный срок службы при воздействии на нее высоковольтных импульсов с амплитудой свыше 200 кВ длительностью более 20 нc, поданных с частотой более 10 Гц в циклическом режиме. В процессе работы в таком режиме происходит перегрев мишени в фокусе трубки, приводящий к усилению эрозии материала мишени и полной его выработки в окрестности фокуса в процессе массопереноса, составляющего М=10 г/Кл. При дальнейшей работе происходит распыление материала корпуса под мишенью, которой является дно корпуса из меди. Если при выбранном режиме работы энергия, отводимая от фокуса трубки, меньше энергии, подводимой к мишени (аноду), то температура в окрестности фокуса растет, что приводит к усилению распыления материала мишени и дна корпуса, на котором расположена мишень, в окрестности фокуса и в итоге к образованию отверстия в мишени и дне корпуса. Образование отверстия в мишени и дне корпуса приводит к появлению двух фокусов трубки. Первый фокус находится на мишени в виде кольца на границе отверстия в мишени, а второй фокус - на сферической поверхности окна трубки в виде круглого пятна, симметричного оси прибора, полученного от воздействия электронов, прошедших через отверстие, образовавшееся в дне корпуса. Наличие двух фокусов приводит к низкой контрастности рентгеновских снимков при дефектоскопии металлов и невозможности выявления дефектов в материале в направлении просвечивания.
Задачей данного изобретения является создание импульсной рентгеновской трубки с высокой долговечностью, работающей в жестком энергетическом режиме при рентгеновском излучении с энергией квантов более 200 кэВ.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной импульсной рентгеновской трубке, содержащей корпус в виде цилиндрического стакана, изготовленный из металла с высокой теплопроводностью, например меди, окно для вывода рентгеновского излучения, выполненное из металла, обладающего свойствами газопоглотителя, имеющее форму шарового сегмента или полушара, край которого охватывает дно цилиндрического стакана, мишень из материала с высоким атомным номером, например тантала, расположенную на дне внутри цилиндрического стакана, и изолирующий элемент с катодом, под мишенью дополнительно сформирована подложка из тугоплавкого материала, например титана, имеющая с дном цилиндрического стакана тепловой контакт, образованный, например, путем их спая серебром.
Увеличение долговечности импульсной рентгеновской трубки, работающей в жестком энергетическом режиме при рентгеновском излучении с энергией квантов более 200 кэВ, с обеспечением высоких рентгенотехнических характеристик достигается за счет того, что тугоплавкая подложка для мишени предотвращает прожог дна корпуса. В качестве материалов корпуса и подложки в данной рентгеновской трубке рекомендуется использовать соответственно медь и титан, свойства которых позволяют обеспечить высокие эксплуатационные характеристики трубки. Температура плавления титана составляет 1700°С, что на 600°С превышает температуру плавления меди, поэтому использование титана в качестве подложки мишени позволяет значительно поднять установившуюся среднюю температуру мишени в окрестности фокуса трубки от бомбардировки потоком электронов, имитируемых с катода при работе в заданном эксплуатационном режиме. Непосредственное воздействие потока электронов с высокой кинетической энергией на корпус из меди, имеющей низкую температуру плавления (1083°С), приводит к сильному распылению материала при воздействии разряда в вакууме, поэтому установление тугоплавкой преграды на пути электронного потока позволяет защитить дно корпуса в окрестности фокуса от распыления материала и не допустить его прожога. Высокая теплоемкость и теплопроводность материала корпуса (меди), в свою очередь, позволяет значительно снизить установившуюся среднюю температуру мишени в окрестности фокуса в заданном эксплуатационном режиме работы рентгеновской трубки при балансе энергий. В этом случае энергия, подводимая к мишени в окрестности фокуса, равна энергии отводимой от нее, т.е. энергии, отдаваемой корпусу и внешней среде. При нарушении баланса энергий происходит увеличение температуры мишени в окрестности фокуса и при температуре, близкой к температуре плавления ее материала, происходит сильное его распыление с образованием отверстия как в мишени, так и в дне корпуса, величина диаметра которого при дальнейшей работе увеличивается, т.е. в процессе работы изменяется один из основных рентгенотехнических параметров рентгеновской трубки, определяющий качество рентгенографического изображения. Использование между мишенью и дном корпуса преграды из тугоплавкого материала такого, как титан, толщиной, определяемой режимом работы трубки и экспозиционной дозой излучения, необходимой для получения качественного рентгенографического изображения дефектов в материале заданной толщины, предотвращает прожог дна корпуса при условии обеспечения теплового контакта между мишенью, ее подложкой и корпусом. При этом фокус трубки практически не изменяется в процессе наработки и определяется геометрическими размерами катода. С другой стороны наличие подложки мишени несколько уменьшает экспозиционную дозу рентгеновского излучения в прямом пучке на воздухе за счет частичного поглощения низкочастотной составляющей спектра излучения, что, однако, не влияет на качество рентгенографических снимков дефектов в материале толщиной более 50 мм, т.к. при просвечивании материала такой толщины низкочастотная составляющая поглощается полностью, а через толщу материала проходит составляющая жесткого излучения. Экспозиционная доза рентгеновского излучения, прошедшая через толщу контролируемого материала при работе трубки с подложкой из тугоплавкого материала, толщина которой значительно меньше толщины контролируемого материала, практически такая же, как и при работе трубки без подложки, поэтому использование тугоплавкой подложки для мишени не влияет на качество определения дефектов в контролируемом материале, а определяется техникой рентгенографического контроля.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Сравнение с прототипом позволило выявить совокупность существенных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение отвечает требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, в которых была бы повышена долговечность импульсной рентгеновской трубки, за счет расположения мишени, выполненной из материала с высоким атомным номером на тугоплавкой подложке, имеющей тепловой контакт с внутренней поверхностью дна корпуса, образованный, например, путем их спая серебром.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
Заявленное изобретение поясняется чертежом, где показан один из вариантов предлагаемой импульсной рентгеновской трубки.
Импульсная рентгеновская трубка (фиг.1) содержит металлический корпус 1 в виде цилиндрического стакана из меди, на дне 2 которого с внутренней стороны по оси трубки закреплена мишень (анод) 3 из тантала через тугоплавкую подложку 4 из титана, катод 5, выполненный в виде тонкой трубки из материала с большим атомным номером, соединенный с выводом 6, проходящим через изолирующий элемент 7 в виде полого усеченного конуса, обращенного внутрь металлического корпуса 1, окно 8 для вывода рентгеновского излучения, выполненное из титана в виде шарового сегмента, край которого охватывает дно 2 цилиндрического стакана корпуса 1. Верхнее основание изолирующего элемента 7 соединено с выводом 6, нижнее - с кромкой цилиндрического стакана корпуса 1. Для откачки трубки в выводе 6 сделано осевое отверстие и предусмотрен штенгель 9. После откачки рентгеновской трубки до требуемой степени вакуума проводят холодный отпай штенгеля 9 с последующей фиксацией скуса.
-5
Импульсная рентгеновская трубка работает следующим образом. При подаче высоковольтного импульса напряжения на катод 5 (анод 3 при этом заземлен) в межэлектродном пространстве создается высокая напряженность электрического поля, вызывающая взрывную эмиссию электронов с микроострий катода 5 с образованием потока электронов, двигающихся к аноду 3 (мишени). При соударении электронов с мишенью 3 и их торможении происходит генерация рентгеновского излучения. В процессе работы рентгеновской трубки происходит сильный разогрев мишени 3 в окрестности ее фокуса и края катода 5 в виде трубки и под действием электродинамической силы разряда происходит взаимный перенос материалов анода и катода. В режиме коротких (наносекундных) импульсов тока взрывной эмиссии массоперенос материалов электродов составляет М=10 г/Кл. Продукты эрозии материала электродов осаждаются на внутренней поверхности рентгеновской трубки, а также на изоляторе, снижая ее электрическую прочность. Изготовление корпуса рентгеновской трубки из меди, обладающей высокой теплопроводностью, позволяет снизить локальный разогрев мишени в ее фокусе, что значительно снижает эрозию материала мишени, а использование ее подложки из тугоплавкого материала предотвращает прожог дна корпуса и, тем самым, способствует увеличению долговечности в заданном эксплуатационном режиме при сохранении основных рентгенотехнических параметров в процессе гарантированной наработки.
7
5
5
На основе заявленного изобретения разработана импульсная рентгеновская трубка ИРТП-240. Испытания экспериментального образца рентгеновской трубки проводились в серийно выпускаемом аппарате «Арина-9» при напряжении на трубке U=240 кВ, емкости С=50 пФ и частоте импульсов f=10 Гц. В течение 10 импульсов интенсивность рентгеновского излучения, измеренного по методике на аппараты серии «Арина», после просвечивания стали толщиной 45 мм и фокусное пятно практически не изменились и составили соответственно 95 мР и 2,3 мм. Ресурс же экспериментального образца рентгеновской трубки без тугоплавкой титановой подложки в аналогичном эксплутационном режиме составляет ≈10 импульсов. Критерием испытания является сохранение начальных рентгенотехнических параметров - интенсивности излучения и размера фокусного пятна. После прохождения 10 импульсов диаметр фокусного пятна был заметно увеличен, что связано с прожогом мишени и дна корпуса в центре фокусного пятна. В процессе дальнейших испытаний размер отверстий в дне корпуса, а следовательно, и размеры фокусного пятна в виде кольца быстро увеличивались. Кроме того, электроны, прошедшие через отверстие, попадая на внешнюю оболочку трубки, вызывают рентгеновское излучение с образованием второго фокуса, что приводит к плохому распознаванию дефектов в обследуемом объекте рентгенографическим способом.
Испытания импульсной рентгеновской трубки, изготовленной согласно заявленному изобретению, показали, что по сравнению с прототипом она обладает более высокими рентгенотехническими характеристиками, устойчивыми в течение наработки, а также имеет превышение гарантированной наработки практически на два порядка.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с высокой долговечностью и устойчивыми рентгенотехническими параметрами в течение работы, используемую в мощных импульсных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии материалов больших толщин при напряжении на трубке более 200 кВ.