ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА
PULSED X-RAY TUBE

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при разработке импульсных рентгеновских трубок для малогабаритных рентгеновских аппаратов, в частности, для медицинской диагностики и лечения заболеваний, а также в других областях техники.
Известна импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус с прострельной мишенью и окном для вывода рентгеновского излучения, катод, внутренний изолирующий элемент, при этом мишень отделена от окна и крепится во внутренней полости трубки с помощью двух цилиндрических колец, имеющих зуб и паз так, что величина зазора между мишенью и катодом находилась в пределах соотношения от 1:20 до 1:5 к наружному диаметру катода. [Патент РФ №2160480, H01J 35/00, H01J 35/02, H05G 1/02.2000 г.].
-10
Такая конструкция имеет малые габариты и при подаче импульса ускоряющего напряжения порядка 100 кВ длительностью 1,5·10 с электронный ток в промежутке катод-мишень составляет более 10 кА, при этом доза рентгеновского излучения у наружной поверхности выходного окна достигает 0,01 Гр за импульс. Использование тантала в качестве материала электродов дает некоторые преимущества по сравнению с другими материалами, например, вольфрамом. Тантал обладает меньшей работой выхода электродов, что позволяет повысить интенсивность излучения примерно на 10-20%.
К недостаткам данной импульсной рентгеновской трубки следует отнести низкий ресурс стабильной работы при напряжении на аноде менее 100 кВ. Известно, что в процессе взрывной электронной эмиссии происходит разрушение микроострий поверхности катода с образованием новых микроострий от импульса к импульсу, при этом характер микроострий зависит от вводимой энергии в катод. При напряжении на аноде менее 100кВ в процессе наработки происходит сглаживание микроострий. что приводит к уменьшению коэффициента усиления внешнего поля на поверхности катода (эффект полировки). В этом случае импульсную рентгеновскую трубку невозможно использовать при низких рабочих напряжениях (<100 кВ) для получения излучения мягкого диапазона.
Известна также импульсная рентгеновская трубка, содержащая вакуумированный корпус, анод и закрепленный на изоляторе высоковольтный ввод с взрывоэмиссионным катодом, выполненным из материала с наноструктурой поверхности, например на основе графита или полиакрилонитрильных углеродных волокон [Патент РФ №2308781, H01J 35/00, 2007 г.].
Основным преимуществом данной рентгеновской трубки по сравнению с трубками, имеющими катоды из металла, является увеличение ресурса стабильной работы и расширения функциональных возможностей рентгеновского аппарата за счет получения излучения мягкого диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображений при работе с объектами разной оптической плотности.
К недостаткам следует отнести ограниченный срок службы из-за небольшой рабочей поверхности катода, определяемой выбранной конструкцией и способом его изготовления. В этой конструкции катода ограничено количество эмитирующих центров, а также имеется высокий уровень потенциала автоэлектронной эмиссии, что уменьшает интенсивность рентгеновского излучения, а, следовательно, и КПД трубки.
Отечественной промышленностью выпускаются полиакрилонитрильные углеродные волокна в виде жгутов из сотен и даже тысяч единичных волокон диаметром от 2 мкм до 10 мкм. Отдельные тонкие нити этих волокон не имеют достаточной механической прочности и при изготовлении импульсных рентгеновских трубок, в частности в процессе откачки при обезгаживании, собираются в межэлектродном промежутке и создают электрические утечки до единиц Мом. Этот общий недостаток полиакрилонитрильных углеродных волокон устраняется технологическими операциями или конструктивным решением - углерод при очистке от легких фракций углеродных нитей не должен попадать на внутреннюю оболочку изолятора.
1
2
3
1
2
2
1
1
3
2
2
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и катодом, через отверстие в центре которого в направлении окна перпендикулярно катоду проходит острийный анод, первый защитный экран, образованный полым цилиндром, соединенным одним основанием с корпусом, а другим - с большим основанием полого усеченного конуса, меньшее основание которого с отверстием в центре обращено в сторону меньшего основания изолятора, вывод острийного анода, проходящий через отверстие в первом защитном экране в полость изолятора и соединенный с его меньшим основанием, второй защитный экран в виде диска, соосный острийному аноду и расположенный с ним в объеме, ограниченном первым защитным экраном, а диаметры отверстия в катоде Д, второго защитного экрана Д, отверстия в первом защитном экране Д, расстояние между верхней поверхностью второго защитного экрана и плоскостью расположения катода S, расстояние между верхней поверхностью второго защитного экрана и внешней поверхностью меньшего основания полого усеченного конуса первого защитного экрана S связаны соотношением (Д-Д/S≥(Д-Д)/S [Патент РФ №2446508, НО1J 35/00, 2012 г. - прототип].
Выполнение первого защитного экрана в виде полой фигуры в форме стакана, состоящей из цилиндра и усеченного конуса, позволяет выбирать геометрические размеры и местоположение элементов конструкции рентгеновской трубки согласно заданному соотношению, при выполнении которого нет прямого воздействия продуктов эрозии материала электродов, образованных в результате вакуумного разряда, на внутреннюю поверхность изолятора, что снижает осаждение продуктов эрозии на эту поверхность, обеспечивая, таким образом, большую долговечность рентгеновской трубки.
Недостатком данной конструкции является то, что ее использование позволяет получить мягкое рентгеновское излучение в ограниченном режиме.
Задачей данного изобретения является создание импульсной рентгеновской трубки с излучением мягкого диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображения при работе с объектами разной оптической плотности с сохранением рентгенооптических параметров в процессе наработки за счет использования полиакрилонитрильных углеродных волокон, закрепленных с высокой механической прочностью, имеющих надежные электрический и тепловой контакт с корпусом.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной импульсной рентгеновской трубке, содержащей металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и катодом, закрепленным на держателе, которые имеют осесимметричные отверстия относительно анода, выполненного в виде цилиндрического стержня переходящего в конус и направленного в сторону окна, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора и соединенный с его меньшим основанием, держатель выполнен в форме чаши, в цилиндрической части которой равномерно по периметру и перпендикулярно дну сформированы сквозные пазы, переходящие в пропилы в дне чаши, а катод выполнен из полиакрилонитрильных углеродных волокон, расположенных радиально относительно оси прибора и закрепленных на дне чаши, например, тонким металлическим кольцом точечной сваркой, при этом торцы одних концов полиакрилонитрильных углеродных волокон образуют границу отверстия катода, а другие концы зажаты в пропилах между дном чаши и внутренней поверхностью корпуса.
Импульсная рентгеновская трубка с катодом из полиакрилонитрильных углеродных волокон предлагаемой конструкции позволяет получить излучение большой мощности мягкого диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображения при работе с объектами разной оптической плотности с сохранением рентгенооптических параметров в процессе наработки, и обеспечить крепление полиакрилонитрильных углеродных волокон с высокой механической прочностью, надежными электрическим и тепловым контактами с корпусом прибора.
Полиакрилонитрильные углеродные волокна обладают анизотропией, т.е. их физические свойства зависят от направления и обладают наилучшими свойствами вдоль оси, поэтому они укладываются на держатель в виде чаши радиально относительно оси прибора. Для закрепления полиакрилонитрильных углеродных волокон в цилиндрической стенке чаши равномерно по периметру выполнены пазы глубиной до самого дна с небольшим пропилом в дне. Полиакрилонитрильные углеродные волокна укладываются на дно чаши так, что рабочей поверхностью катода является суммарная поверхность всех торцов волокон, образующих отверстие в катоде, а другие концы волокон проходят через пазы в цилиндрической стенке чаши и при установке катодного узла зажимаются в местах пропилов между дном чаши и внутренней поверхностью корпуса, образуя механически прочное соединение с надежным тепловым и электрическим контактами. При этом полиакрилонитрильные углеродные волокна закрепляются на дне чаши, например, посредством тонкого металлического кольца точечной сваркой. Большая рабочая поверхность катода и низкий порог эмиссии материала на основе полиакрилонитрильных углеродных волокон позволяют получить мощное рентгеновское излучение мягкого диапазона, что обеспечивает высокий контраст изображения при работе с объектами разной оптической плотности. Высокая механическая прочность, хороший тепловой и электрический контакты полиакрилонитрильных углеродных волокон с корпусом импульсной рентгеновской трубки позволяют значительно улучшить его тепловой режим работы, что способствует сохранению рентгенооптических параметров в течение длительной наработки.
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, позволяющие получить рентгеновское излучение большой мощности мягкого диапазона с сохранением рентгенооптических параметров в течение длительной наработки за счет того, что держатель катода в импульсной рентгеновской трубке выполнен в форме чаши, в цилиндрической части которой равномерно по ее периметру и перпендикулярно дну сформированы сквозные пазы, переходящие в пропилы в дне чаши, а катод выполнен из полиакрилонитрильных углеродных волокон, расположенных радиально относительно оси прибора и закрепленных на дне чаши, например, тонким металлическим кольцом точечной сваркой, при этом торцы одних концов полиакрилонитрильных углеродных волокон образуют границу отверстия катода, а другие концы зажаты в пропилах между дном чаши и внутренней поверхностью корпуса.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
Заявленное техническое решение поясняется чертежом. На фиг.1 представлен один из вариантов заявленной импульсной рентгеновской трубки.
Импульсная рентгеновская трубка (фиг.1) содержит металлический корпус 1 в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора 2, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса 1, а другое основание корпуса 1 соединено с окном 3 в виде цилиндра, имеющего дно из бериллия для вывода мягкого рентгеновского излучения и через держатель 4 с катодом 5, причем держатель 4 выполнен в форме чаши, в дне которой выполнено осевое отверстием, а в цилиндрической части равномерно по периметру и перпендикулярно дну сформированы сквозные пазы, переходящие в пропилы в дне чаши, а катод 5 выполнен из полиакрилонитрильных углеродных волокон, расположенных на дне чаши, направленных по радиусу перпендикулярно оси прибора и закрепленных на держателе 4, например, посредством тонкого металлического кольца 6 точечной сваркой, при этом торцы одних концов углеродных волокон образуют границу отверстия катода, осесимметричного относительно анода 7, выполненного в виде цилиндрического стержня переходящего в конус и направленного в сторону окна 3, а другие концы полиакрилонитрильных углеродных волокон проходят через пропилы в дне чаши, величина которых достаточна для зажима волокон между дном чаши и внутренней поверхностью корпуса 1 с последующей фиксацией держателя 4 с корпусом 1, например, точечной сваркой, два защитных экрана 8 и 9, закрывающие внутреннюю поверхность изолятора 2 от напыления продуктами эрозии материалов электродов, вывод анода 10, проходящий по оси прибора и соединенный с меньшим основанием изолятора 2, штенгель 11 для откачки импульсной рентгеновской трубки.
Предлагаемая конструкция импульсной рентгеновской трубки обеспечивает крепление полиакрилонитрильных углеродных волокон с высокой механической прочностью, надежным тепловым и электрическим контактами с корпусом прибора и, как следствие, улучшает его тепловой режим в процессе работы, что способствует сохранению рентгенооптических параметров в течение длительной наработки, а расширенная рабочая поверхность катода, образованная торцевыми сечениями полиакрилонитрильных углеродных волокон, и низкий порог эмиссии материала (полиакрилонитрильных углеродных волокон) позволяет получить мощное рентгеновское излучение мягкого диапазона, что обеспечивает высокий контраст изображения при работе с объектами разной оптической плотности.
При подаче ускоряющего импульса высокого напряжения на анод 7 (катод 5 заземлен) в межэлектродном пространстве создается высокая напряженность электрического поля в непосредственной близости от кромки отверстия катода 5, образованной торцами полиакрилонитрильных углеродных волокон, вызывающая автоэлектронную эмиссию с торцов волокон и переходящую во взрывную эмиссию электронов с образованием потока электронов, двигающихся к аноду 7. В результате соударения электронов с анодом 7 и их торможения происходит генерация рентгеновского излучения.
5
На основании заявленного изобретения изготовлен макетный образец импульсной рентгеновской трубки с катодом из полиакрилонитрильных углеродных волокон (лента «Кулон»). Испытания рентгеновской трубки проводились в лаборатории “СПб Государственного университета телекоммуникаций” г.Санкт-Петербург. На потенциальный электрод рентгеновской трубки подавался импульс напряжения от генератора наносекундных импульсов напряжения с регулируемой длительностью 10-80 нс и амплитудой 20-105 кВ. В заданных диапазонах изменения амплитуды и длительности импульсов наблюдалось мощное мягкое рентгеновское излучение, фиксируемое по свечению люминесцентного экрана и с помощью индивидуального дозиметра ИД-0,2. В процессе всей наработки 5·10импульсов рентгенооптические параметры (экспозиционная доза рентгеновского излучения и диаметр фокусного пятна) не изменялись.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с мягким излучением, обеспечивающим высокий контраст изображений при работе с объектами разной оптической плотности с сохранением рентгенооптических параметров в процессе наработки путем обеспечения высокой механической прочности крепления полиакрилонитрильных углеродных волокон, их надежного электрического и теплового контакта с корпусом