Высокоресурсная металлокерамическая рентгеновская трубка
HIGH-RESOURCE METAL-CERAMIC X-RAY TUBE

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может найти применение в рентгеновских аппаратах для промышленной дефектоскопии и исследовательских целей.
Известна металлостеклянная острофокусная импульсная рентгеновская  трубка,  состоящая из герметичного корпуса, выполненного из изолирующего материала, с окном для вывода рентгеновского излучения, катода, включающего шайбу из термостойкого диэлектрика, на которой расположена гребенка, образованная металлической шайбой, имеющей радиальные прорези, расходящиеся от центра, с внутренним диаметром, большим, чем внутренний диаметр диэлектрической шайбы, анода, предназначенного для торможения электронного пучка и генерации рентгеновского излучения, выполненного в виде стержня, заканчивающегося конической поверхностью, вершина которой имеет форму полусферы и проходит по оси отверстия диэлектрической шайбы так, чтобы торец анода выступал за плоскость диэлектрической шайбы, на которой установлена гребенка, на расстояние, равное величине радиуса полусферы токоввода для подачи высокого импульсного напряжения (патент РФ № 2174726, МПК H01J 35/00, H05G 1/02, 2001 г.). Такая конструкция обеспечивает пространственную равномерность рентгеновского излучения, стабильного от импульса к импульсу за счет множества источников электронов, равномерно расположенных по окружности в местах касания металлических концов гребенки с диэлектрической шайбой, где при подаче импульсного напряжения возникает высокая напряженность электрического поля, что вызывает разряд в микрозазорах между металлом и диэлектриком.
5
-1
Основным недостатком данной конструкции рентгеновской трубки является ее небольшой срок службы при работе в импульсных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии металлоконструкций, что связано с отсутствием в данной рентгеновской трубке хорошего теплоотвода, так как она выполнена в металлостеклянном исполнении и все металлические детали за исключением анода и катода изготовлены из прецизионного сплава (29НК), имеющего одинаковый со стеклом коэффициент термического линейного расширения (КТЛР) с достаточно низкой теплопроводностью. Отсутствие в данной рентгеновской трубке хорошего теплоотвода, а также использование изолятора из стекла значительно ограничивает срок службы при работе в жестких энергетических режимах. Наработка импульсной металлостеклянной рентгеновской трубки составляет всего около 2,5×10 импульсов при частоте следования импульсов 5 с. Внутренняя поверхность изолятора конструктивно не защищена от попадания продуктов эрозии материала электродов, что ограничивает электрическую прочность, и, соответственно, долговечность. Известна рентгеновская трубка, содержащая также стеклометаллическую вакуумную оболочку, фокусирующее устройство, катод, анод и выпускное окно (ЗАО «СВЕТЛАНА-РЕНТГЕН», трубка рентгеновская 1,2БПК21-200). Недостатком этой рентгеновской трубки является низкая механическая прочность стеклометаллической оболочки, узкий температурный диапазон, в котором обеспечивается постоянство пробивного напряжения, что ограничивает электрическую прочность и, соответственно, долговечность.
На мировом рынке рентгеновского оборудования различного назначения все более широкое распространение приобретают аппараты в составе которых используются металлокерамические рентгеновские трубки взамен трубок со стеклянным изолятором. Керамические детали изолятора по сравнению со стеклянными обладают рядом преимуществ: значительно большей механической прочностью, более высокой теплопроводностью, постоянством пробивного напряжения в относительно широком температурном диапазоне, существенно большей рабочей температурой.
Кроме того, допуски на геометрические размеры керамических конструкций могут быть установлены более жесткими, чем на размеры элементов рентгеновских трубок со стеклянным изолятором. В связи с этим существенно повышается качество сборки и пайки металлокерамических соединений рентгеновских трубок. Получаемая при этом металлокерамическая оболочка рентгеновской трубки позволяет существенно повысить температуру прогрева трубки при вакуумировании внутреннего объема, что обеспечивает более качественное и быстрое обезгаживание деталей рентгеновской трубки и получение в приборе высокого устойчивого вакуума. Ресурс металлокерамических рентгеновских трубок превышает ресурс металлостеклянных рентгеновских трубок в несколько раз.
Известен генератор рентгеновского излучения с трубчатым корпусом из керамики, расположенными в корпусе конструктивными узлами для генерирования одного или нескольких рентгеновских лучей и выходным окном для их выхода (Патент РФ №2490748, МПК Н01J35/16, 2008 г.).
Недостатком конструкции является выполнение выходного окна  из слоя утонченной керамики, которое подвержено высоким напряжениям при действии ударных и тепловых нагрузок при эксплуатации генератора.  Поскольку керамика имеет высокий коэффициент поглощения по сравнению с традиционными бериллиевыми выпускными окнами, применение керамики для выпускного окна снижает КПД излучателя. В керамической крышке, днище и паяных швах, соединяющих крышку и днище  с трубчатым корпусом, а также анодом  и катодом  возникают высокие напряжения при работе генератора и нагреве металлического анода, что может привести к потере герметичности и выходу генератора из строя. Эти недостатки также усугубляются тем, что в состав активных припоев входят такие активные металлы, как титан, цирконий и т.д., которые при пайке образуют хрупкие интерметаллиды, являющиеся концентраторами напряжений и, соответственно, центрами микроразрушений и нарушения вакуумной плотности корпуса.  Кроме того, конструкция генератора исключает какую-либо замену вышедших из строя деталей и узлов, размещенных внутри корпуса, а также ремонт самого керамического корпуса.
э
/
Известна металлокерамическая рентгеновская трубка, в которой катод выполнен из поликристаллического вольфрама, а анод выполнен из монокристаллического вольфрама (Николаев Ю.В., Выбыванец В.И., Таубин М.Л. Металлокерамические рентгеновские трубки с монокристаллическими анодами для медицинской диагностики. Приборы и Системы, Управление, Контроль, Диагностика 3, 2000 г., с.23-25). Недостатком конструкции является использование поликристаллического вольфрама в качестве катода, усугубленные тем, что локальные перегревы из-за неравномерного испарения вольфрама с отдельных зерен приводят к локальному изменению электросопротивления с дальнейшим перегоранием спирали катода, имеющего малое поперечное сечение. Значительно более высокие, по сравнению с металлостеклянными рентгеновскими трубками, термоэлектрические нагрузки при эксплуатации металлокерамических рентгеновских трубок сказываются на недостаточно высоком ресурсе трубки и, соответственно, экономический коэффициент К = ресурсстоимость достаточно низок. Основными причинами, приводящими к снижению ресурса и выходу рентгеновской трубки из строя, являются: выгорание нити эмиттера, ухудшение вакуума за счет внутреннего газовыделения и внешнего натекания, дуговой пробой и образование микротрещин мишени. Также  конструкция трубки не позволяет заменять вышедшие из строя детали, находящиеся внутри металлокерамического корпуса, осуществлять повторную откачку, обезгаживание и производить её ремонт.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является изобретение «Моноблок источника рентгеновского излучения» по патенту РФ № 2248440 МПК H01J35/02, 2005 г., состоящему из корпуса, катодного и анодного узлов, а также генераторного устройства с высоковольтным делителем напряжения, высоковольтный вывод которого подключен к одному из узлов трубки, причем корпус рентгеновской трубки выполнен в виде металлического цилиндра, внутри которого расположен двухсекционный высоковольтный цилиндрический изолятор, при этом один его торец соединен вакуум-плотно с одним из торцов корпуса, а на другом торце установлен катодный узел, причем длина секции, на которой установлен катодный узел, не менее чем в 100 раз превышает длину секции, соединенной с торцом корпуса, анодный узел, в свою очередь, расположен на другом торце корпуса и выполнен в виде вынесенной за пределы корпуса анодной трубы, на свободном торце которой закреплена мишень, при этом генераторное устройство размещено внутри высоковольтного цилиндрического изолятора, внутренний объем которого заполнен маслом, а боковая поверхность изолятора выполняет роль высоковольтного делителя напряжения. Недостатком данного изобретения является то, что:
- в качестве делителя используется диэлектрический материал, что влечет неравномерность распределения заряда по поверхности, что может стать причиной нелинейной зависимости сигнала на выходе делителя от ускоряющего напряжения анод-катод;
- необходимость использования в секциях  двух типов керамики с разной степенью поляризации;
- технологическая сложность в изготовлении вакуумно-плотного спая короткой секции с плоской металлической деталью и ненадежность этого спая в условиях обезгаживания и эксплуатации;
- сложность изготовления керамического изолятора из-за увеличения его массогабаритных параметров;
- наличие сложной и громоздкой откачной системы и вакуумной арматуры;
- наличие делительного устройства в моноблоке рентгеновского излучения, что усложняет и удорожает моноблок;
- необходимость привлечения специалистов для  ремонта и послеремонтной диагностики, а также невозможность проведения ремонта в нестационарных условиях;
- длительный простой оборудования на период ремонта;
- неудобство применения моноблока источника рентгеновского излучения из-за его больших размеров и веса.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, следующий:
- повышение ремонтопригодности;
- повышение технического ресурса;
- упрощение конструкции;
- снижение стоимости эксплуатации ремонтопригодного периода.
Высокоресурсная металлокерамическая рентгеновская трубка, включающая корпус, анодный узел с мишенью, катодный узел со штенгелем, фокусирующим электродом и эмиттером, отличающийся тем, что корпус выполнен из металлокерамики и состоит из двух разъединяемых частей, соединяемых по фланцам анодного и катодного узлов вакуумно-плотным сварочным швом, катодный узел дополнительно содержит идентичный эмиттер, штенгель выполнен из  дуктильного металла с возможностью его многократного пережима, при этом длина штенгеля выбирается из условия:
L = n⋅A,
где
n = 1 ÷ 3 – количество пережимов штенгеля;
А – длина отсекаемой части штенгеля перед пережимом,
а высота фланцев:
H = n⋅B,
где
n = 1 ÷ 3 – количество разъединений частей корпуса;
В – технологический припуск фланцев на механическую обработку при разъединении  частей корпуса.
На фиг.1 схематически представлен общий вид высокоресурсной рентгеновской трубки, на  фиг. 2 представлен штенгель, на фиг.3 стыковочные фланцы, на фиг.4 вид Е идентичные эмиттеры и фокусирующий электрод.
Высокоресурсная металлокерамическая рентгеновская трубка содержит корпус 1, анодный узел 2, катодный узел 3 со штенгелем 4, фокусирующий электрод 5 и эмиттеры 6. Корпус состоит из двух частей, соединяемых по фланцам 7 и 8 анодного и катодного узлов. В состав анодного узла входит анод 9, содержащий мишень 10 и выпускное окно 11, металлическая оболочка 12. В состав катодного узла  входит высоковольтный керамический изолятор 13, металлическая оболочка 14, катод 15 с эмиттерами 6 и фокусирующим электродом 5. В состав катода также входит многоразовый пережимной штенгель 4, закрываемый защитным колпачком 16 и геттеры 17 в виде газопоглотительных таблеток. В конструкции катода реализована возможность подвода низковольтного напряжения для накала эмиттеров 6. Анодный узел 2 и катодный узел 3 соединены между собой по фланцам  7 и 8 при помощи вакуумно-плотного сварного шва 18 и образуют герметичный корпус рентгеновской трубки.
Вакуумноплотной сварке нет альтернативы, поскольку применение эластомерных, медных или алюминиевых уплотнительных колец невозможно ввиду высокотемпературного обезгаживания собранной рентгеновской трубки, а вакуумноплотная пайка исключает возможность многоразового использования соединительного фланца.
Высокоресурсная металлокерамическая рентгеновская трубка работает следующим образом.
На эмиттеры 6 подается ток накала, а на катод  и анод  подается напряжение рентгеновской трубки U. В результате возникновения термоэлектронной эмиссии, эмиттеры 6 испускают электроны, которые фокусируются электродом  5 и, под действием электрического поля, возникшего между катодом и анодом в результате высокой разности потенциалов между ними, ускоряются и попадают на мишень 10 анода 9. При торможении электронов на мишени 10 генерируется рабочий пучок рентгеновского излучения  19, которое через выпускное окно 11 направляется на исследуемый объект.
В случае возникновения внутренних дефектов и выхода металлокерамической трубки из строя (потеря вакуума, перегорание спирали эмиттера и т.д.), производится её вскрытие и ремонт. Вскрытие по соединительному фланцу производится за счет механического удаления припуска В вместе со сварным швом 18. Конструкция соединительного фланца позволяет производить его вскрытие с последующей вакуумноплотной сваркой  от одного до трех раз. Аналогичным образом производится вскрытие штенгеля: снимается защитный колпачок 16 и часть штенгеля А удаляется. Конструкция штенгеля позволяет его вскрывать и герметично пережимать его от одного до трех раз.
После механического удаления сварного шва 18, производят разделение металлокерамического корпуса на анодный узел 2 и катодный узел 3. Далее производят замену вышедших из строя деталей и геттеров 17. Затем вновь собирают рентгеновскую трубку, герметично сваривают фланцы 7 и 8, проверяют герметичность получившегося сварного шва 18, вакуумируют и высокотемпературно обезгаживают, активируют геттеры. Далее следует вакуумный пережим штенгеля 4 и установка защитного колпачка 16.
Применение многоразовых соединительного фланца и пережимного штенгеля позволяет повысить ремонтопригодность высокоресурсной металлокерамической рентгеновской трубки и повысить её ресурс в n раз. Отсутствие индивидуальной откачной системы упрощает конструкцию рентгеновской трубки, снижает её стоимость и позволяет использовать рентгеновскую трубку в переносных рентгеновских аппаратах.
Применение в конструкции двух одинаковых, последовательно работающих эмиттеров позволяет увеличить ресурс рентгеновской трубки в два раза.
Возможность повторного использования дорогостоящих металлокерамического корпуса и деталей высокоресурсной рентгеновской трубки снижает стоимость её эксплуатации.
Пример. Разработана и изготовлена высокоресурсная металлокерамическая рентгеновская трубка, выполненная с многоразовым штенгелем из медной трубки диаметром 10 мм и толщиной стенки 1 мм, однократно отсекаемая рабочая зона которого А= 15 мм, с возможностью проведения трех вскрытий. Соединительные фланцы анодного и катодного узлов выполнены из ковара 29НК-ВИ толщиной 1 мм имеют технологический припуск с возможностью проведения трех вскрытий.
Вакуумно-плотный кольцевой шов выполнен лазерной сваркой. Для полного размыкания сварного шва достаточно снять технологический припуск с фланцев высотой 1мм, но гарантированный припуск выполнен с запасом в 0,2 мм и равен 1,2мм.
-12
3
-5
После перегорания одного из вольфрамовых эмиттеров был вскрыт штенгель и произведена мехобработка фланцевого шва с целью разделения высокоресурсной металлокерамической трубки на анодный и катодный узел. После замены перегоревшего эмиттера, обе части корпуса была вновь сварены лазерной сваркой по соединительным фланцам и  корпус проверен на вакуумную плотность масс-спектрометрическим гелиевым течеискателем ULVAC Heliot 900. Величина натекания по гелию высокоресурсной металлокерамической рентгеновской трубки составляла Q≤1,5×10 Па×м/с. Далее в течении нескольких суток производилось высокотемпературное обезгаживание и вакуумирование внутренней полости рентгеновской трубки. Повторный пережим штенгеля произведен при давлении внутри корпуса Р=1×10 Па.
Проведена экспериментальная проверка рентгеновской трубки и проведены ее испытания после проведенного ремонта.
Экспериментально опробована предлагаемая рентгеновская трубка и проведены испытания рентгеновской трубки после проведения ремонта. Характеристики рентгеновской трубки соответствуют паспортным значениям.