РЕНТГЕНОВСКАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ТРУБКА С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ЭМИССИЕЙ

Предложенное техническое решение относится к области рентгенотехники и предназначено для комплектации устройств, используемых для предотвращения хищения или актов терроризма и обеспечения безопасности в зданиях и сооружениях, например в аэропортах, метрополитене, банках и других местах повышенного риска.
Известна рентгеновская трубка импульсного типа (Авторское свидетельство СССР №1014067 от 30.07.81 г.), содержащая вакуумированную колбу, внутри которой расположены накальный катод с фокусирующим устройством и вращающийся анод. Известная трубка предназначена для стереоскопии и не может быть использована для формирования сверхкоротких прямоугольных импульсов.
Наиболее близким по конструкции к заявляемому объекту является рентгеновская импульсная трубка с электростатической эмиссией, содержащая вакуумированную стеклянную колбу цилиндрической формы с торцевым выходным окном, внутри которой закреплены катод и анод, подключенные к импульсному источнику высокого напряжения (Патент США 6324257 от 27.11.2001 г.). Данная трубка была выбрана нами в качестве прототипа.
Недостатком трубки, выбранной нами в качестве прототипа, является ее значительные размеры, что не позволяет использовать ее при просвечивании стенок упаковочных ящиков с узкими внутренними полостями.
Задачей настоящей работы является создание малогабаритной рентгеновская импульсная трубка с электростатической эмиссией.
Для решения этой задачи в рентгеновской импульсной трубке с электростатической эмиссией, содержащей вакуумированную стеклянную колбу цилиндрической формы с торцевым выходным окном, внутри которой закреплены катод и анод, подключенные к импульсному источнику высокого напряжения, в качестве катода используется заостренный стержень из тугоплавкого металла, закрепленный на торце колбы с противоположной стороны от выходного окна, а анодом является вольфрамо-графеновый слой с толщиной вольфрамового покрытия 3-5 нанометров, нанесенный на рентгенопрозрачную подложку из теплостойкого диэлектрика, закрепленную на внешней стороне кольца, примыкающего свободной стороной к внутренней поверхности выходного окна, причем анод закрыт диафрагмой из диэлектрика с центральным окном диаметром 1-2 мм, геометрическая ось которого совпадает с геометрической осью катода, остроконечный выступ которого находится на расстоянии 10-12 мм от анода.
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим информационным источникам показали, что конструкция предлагаемой рентгеновской трубки неизвестна и не следует явным образом из изученного уровня техники, т.е. соответствует критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Далее наше предложение сопровождается чертежами и пояснением к ним. На фиг.1, изображена рентгеновская импульсная трубка (вид сбоку в разрезе), а на фиг.2 показано положение рентгеновского излучателя, заряженного новой трубкой, при просвечивании стенок упаковочного ящика.
-6
-7
-9
2
-5
Рентгеновская импульсная трубка с электростатической эмиссией представляет собой вакуумированную стеклянную колбу 1 цилиндрической формы с давлением остаточного газа 10-10 мм рт.ст. с торцевым выходным окном 2. Внутри колбы 1 размещены катод и анод. В качестве катода используется заостренный стержень 3 из тугоплавкого металла, например вольфрама, закрепленный на торце 4 колбы 1 с противоположной стороны от выходного окна 2. Эмиссия автоэлектронного эмиттера в форме заостренного стержня 3 локализована на поверхности площадью 10 см острия радиусом 2×10 см. Анодом является вольфрамо-графеновый слой 5 с толщиной вольфрамового покрытия 3-5 нанометров. Вольфрамо-графеновый слой 5 нанесен на рентгенопрозрачную подложку 6, изготовленную из термостойкого диэлектрика, например тефлона.
Вольфрамо-графеновый слой получают в вакуумной камере путем осаждения паров вольфрама в электрическом поле на графен, которым предварительно покрыта подложка 6. Графен является связующим слоем. Сочетание вольфрама и графена выбрано не случайно. Вольфрам обеспечивает высокий выход рентгеновских квантов, а графен обладает хорошей электропроводностью, высокой прочностью и термостойкостью. Кроме того, вольфрамо-графеновый слой толщиной в 10-20 нанометров имеет малую теплоемкость, что спасает анод от перегрева и обеспечивает длительную работу рентгеновской трубки при номинальном режиме работы. Подложка 6 закреплена на кольце 7, примыкающем свободной стороной к внутренней поверхности выходного окна 2. Кольцо 7 изготовлено из диэлектрика, например керамики. К свободной поверхности вольфрамо-графенового слоя 5 примыкает токопроводящее кольцо 8, изготовленное, например из меди. Кольцо 8 соединено с электрическим контактом 9, выходящим из стеклянной колбы 1. Между заостренным стержнем 3 катода и анодом установлена диафрагма 10 из диэлектрика, например керамики. Диафрагма 10 имеет центральное отверстие диаметром 1-2 мм, геометрическая ось которого совпадает с геометрической осью катода, остроконечный выступ которого находится на расстоянии 10-12 мм от анода. Основание 11 остроконечного стержня 3 катода, имеющее форму диска, находится с внешней стороны стеклянной колбы 1, к нему плотно примыкает медное кольцо 12, соединенное в своем основании с электрическим контактом 13.
Колба 1 рентгеновской трубки помещена в стакан 14 из эластичного диэлектрика, например тефлона и закреплена посредством вкладышей
15, изготовленных из жесткого диэлектрика, например эбонита, в стальном кожухе 16, заполненном трансформаторным маслом 17. Внутренняя поверхность кожуха 16 покрыта слоем свинца 18 толщиной 0,5 мм, защищающим внешнюю среду от рентгеновского излучения. Стальной кожух 16 имеет боковое окно 19, закрытое пробкой 20 с центральным отверстием 21 со стеклом 22 из рентгенопрозрачного материала, например плексигласа. Отверстие 21 имеет круглую форму, его центр - точка О находится на геометрической оси рентгеновской трубки, проходящей через вершину остроконечного стержня 3 катода. Ширина рентгеновского пучка, выходящего из кожуха 16, определяется углом γ, в его спектральном составе преобладают кванты характеристического излучения вольфрама. Кожух 16 соединен с держателем 23, изготовленным из легкого металла, например дюралюминия. Катод и анод рентгеновской трубки подключаются через электрические контакты 13 и 9 к импульсному источнику высокого напряжения 24, связанному с пультом управления 25.
На фиг.2 схематически показана методика использования предложенной нами малогабаритной рентгеновской трубки в составе рентгеновского аппарата, предназначенного для контроля багажа на предмет выявления скрытых предметов.
Рентгеновский аппарат содержит излучатель, представляющий собой стальной кожух 16, заряженный малогабаритной рентгеновской трубкой импульсного типа. Кожух 16 закреплен посредством держателя 23 на тележке 26, на которой находится импульсный источнику высокого напряжения 24, к которому подключена рентгеновская трубка. Режим работы рентгеновской трубки задается на пульте управления 25. Детектором рентгеновского излучения является рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП) 27, оптическая ось которого совпадает с геометрической осью рентгеновской трубки. РЭОП 27 закреплен посредством держателя 28 на тележке 26. На тележке также находятся блок питания 29 РЭОПа 27 и блок преобразования электрического сигнала 30, с выхода РЭОПа 27. Результирующее изображение выводится на видеомонитор 31. РЭОП 27 многократно усиливает рентгеновский сигнал, что позволяет использовать для работы маломощный рентгеновский генератор (5-6 кВт).
Малые габариты рентгеновского излучателя позволяют вводить его в небольшие полости 32 упаковочного ящика 33 и надежно выявлять скрытые предметы 34 в его стенке 35.
Использование для рентгеновского просвечивания характеристического, т.е. монохроматического излучения обеспечивает высокую контрастную чувствительность системы, что позволяет надежно выявлять малоконтрастные предметы.