ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА
PULSE X-RAY TUBE

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании компактных импульсных острофокусных трубок мегавольтного диапазона, предназначенных для теневой рентгенографии быстропротекающих процессов.
Регистрация быстропротекающих процессов накладывает ряд специфических требований к параметрам и конструкции используемых для этой цели импульсных острофокусных рентгеновских трубок. Как правило, требуется хорошая просвечивающая способность, которая достигается подачей на трубки импульсов напряжения амплитудой ≥1 MB, и большей в несколько раз (по сравнению с трубками для дефектоскопии неподвижных объектов) дозой излучения за импульс. При этом, во избежание размытия изображения быстродвижущегося объекта, длительность импульса не должна превышать 20-30 нс, что приводит к необходимости в несколько раз увеличивать ток через рентгеновскую трубку.
Известны трубки [1], [2], [3] содержащие металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса, другое основание корпуса соединено с окном, выполненным из бериллия для выхода мягкого рентгеновского излучения. Анод выполнен в виде цилиндрического стержня, переходящего в конус, направленного в сторону окна, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора, соединен с его меньшим основанием. На внутренней поверхности корпуса закреплен один или несколько катодов, выполненных из полиакрилонитрильных углеродных волокон таким образом, что торцы углеродных волокон образуют границу, осесимметричную относительно анода.
Главными недостатками этих трубок является недостаточная просвечивающая способность и малая стойкость тонких полиакрилонитрильных углеродных волокон к большим токам. Последнее приводит к низкому ресурсу катода, что делает невозможным проведение даже одного эксперимента, который включает в себя пробные включения, настройку регистрирующей аппаратуры и собственно рабочие включения.
Намного большей стойкостью к повышенным токам обладают взрывоэмиссионные катоды. Эмиссионные свойства у них несколько ниже, чем полиакрилонитрильных углеродных волокон, но на напряжениях в несколько сотен киловольт взрывоэмиссионные катоды отлично работают.
-6
Известна рентгеновская дефектоскопическая импульсная трубка прострельного типа [4] со стеклянным изолятором в виде полого усеченного конуса, закрепленным своим большим основанием внутри металлического корпуса на его торце, на другом конце изолятора установлен катодный электрод со взрывоэмиссионным трубчатым катодом из танталовой фольги. Напротив катода расположен плоский анод в виде танталовой фольги, закрепленной на тонкостенной крышке корпуса. Внутренняя полость трубки откачивается до остаточного давления 10тор. При подаче на трубчатый катод отрицательного импульса высокого напряжения, на торце катода формируются плазменные факелы, из которых происходит эмиссия электронов и их ускорение в сторону анода. Провал электрического поля внутрь катода приводит к автофокусировке электронного пучка с образованием на аноде фокусного пятна небольшого диаметра, что позволяет использовать эту трубку для получения теневых снимков физических объектов.
Недостатком данной трубки является то, что в зону фокусного пятна попадает только часть электронов с катода, что приводит к существенным потерям дозы рентгеновского излучения, используемого для дефектоскопии. Остальная часть электронов создает фоновое афокальное излучение, приводящее только к ухудшению качества изображения. Кроме того, на больших энергиях в импульсе ресурс трубки будет исчисляться единицами импульсов из-за прожигания прострельного анода, толщина которого ограничена приблизительно длиной пробега электронов в нем (-0.02-0.1 мм).
Наиболее близкой к заявляемой является рентгеновская дефектоскопическая импульсная трубка с обратным выходом излучения [5], содержащая металлический корпус с бериллиевым выпускным окном на торце, к другому торцу корпуса припаян стеклянный наружный изолятор в виде полого усеченного конуса. На малом основании изолятора установлен переходник, шток и анодный экран с закрепленным на нем игольчатым анодом, внутри корпуса установлен взрывоэмиссионный катод в виде плоского кольца из танталовой фольги с центральным отверстием. Шток проходит внутри изолятора. Катод своей плоскостью расположен перпендикулярно оси анода, при этом кромки отверстия кольца обращены к коническому участку анода с образованием кольцевого межэлектродного зазора. При подаче на анод высоковольтных импульсов положительной полярности происходит формирование плазменных факелов на кромках отверстия катода и ускорение электронов в направление конической поверхности анода с образованием фокусного пятна, в котором и происходит генерация рентгеновского излучения. Пятно имеет форму кольца, наружный диаметр которого примерно равен диаметру сечения анода в плоскости катода. Афокальное излучение, в отличие от предыдущего аналога, почти отсутствует.
Недостатком данного устройства также является малый ресурс анода из-за кольцевой локализации электронного пучка в зоне фокусного пятна, в результате чего происходит активная эрозия этого участка, снижение выходной дозы излучения и в конечном счете отсечение тонкого участка анода.
Все вышеперечисленные трубки обладают недостаточным ресурсом из-за интенсивного износа анода и отсутствия обслуживания для восстановления вышедших из строя элементов, что делает невозможным проведение экспериментов с быстропротекающими процессами в полном объеме. Кроме того, после каждого импульса тока вакуум в трубке ухудшается из-за распыления металла анода и абсорбированных газов.
Задачей данного изобретения является создание надежной импульсной острофокусной трубки мегавольтного диапазона для теневой рентгенографии быстропротекающих процессов.
Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей за счет увеличения ресурса трубки, надежности ее работы, увеличения диапазона рабочих температур, повышения степени вакуума в трубке, а также повышения технологичности изготовления и простоты обслуживания.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известной трубкой, содержащей металлический корпус с выпускным окном на торце, на другом торце корпуса закреплен наружный изолятор в виде полого усеченного конуса, на малом основании изолятора установлен переходник, шток и анодный экран, на котором закреплен игольчатый анод, шток проходит внутри изолятора, внутри корпуса установлен взрывоэмиссионный катод, новым является то, что трубка выполнена разборной, при этом металлический корпус содержит обечайку с двумя фланцами на торцах и не менее одного патрубка для вакуумной откачки, выпускное окно снабжено фланцем, соединенным с ответным фланцем корпуса, к другому фланцу корпуса присоединен изолирующий узел, в состав которого входит керамический наружный изолятор, на большом основании которого закреплен фланец с защитным экраном, переходник выполнен с резьбовым хвостовиком, расположенным внутри изолятора, на хвостовике закреплен металлический шток, на противоположном конце которого закреплен съемный анодный экран с игольчатым анодом, катод состоит из двух полувтулок с цилиндрической наружной и конической внутренней поверхностями, на внутренней поверхности точечной сваркой закреплены эмитирующие элементы, выполненные из фольги путем неполной вырубки и последующего их отгиба, катод установлен во внутренней цилиндрической проточке узла катододержателя, который, в свою очередь, закреплен с радиальным зазором во внутренней проточке корпуса, герметизация стыкуемых фланцев осуществляется медными прокладками.
Выполнение трубки разборной из узлов с присоединительными фланцами и взаимное закрепление деталей и внутренних узлов при помощи разъемных соединений позволяет получить доступ во внутреннюю полость трубки и обеспечивает возможность замены поврежденных деталей и узлов, а также их восстановления без необходимости замены всей трубки, что в несколько раз увеличивает общий ресурс трубки.
Наличие не менее одного патрубка позволяет вакуумировать внутренний объем трубки до проведения пусков. При наличии ухудшения вакуума во время импульсов, через дополнительные патрубки можно откачивать воздух из трубки миниатюрными насосами (например, магниторазрядными). Такие насосы, как правило, имеют небольшую производительность, но при этом обладают стойкостью к радиоактивности и электромагнитным помехам. Это позволяет им работать непрерывно, без отключения во время работы ускорителя, обеспечивая постоянное восстановление высокого вакуума между включениями ускорителя, что способствует удобству эксплуатации и повышению надежности трубки.
Выполнение изолятора керамическим позволяет повысить как электрическую прочность изолятора, так и механическую прочность соединения изолятора и фланца при широком диапазоне рабочих температур изолирующего узла. При критическом запылении изолятора продуктами эрозии анода наличие фланца позволяет оперативно заменять данный узел на новый (без замены корпуса), а также модифицировать при необходимости форму защитного экрана.
Выполнение катода из двух полувтулок позволяет получить свободный доступ ко внутренней поверхности катода, что значительно упрощает технологию приварки или удаления эмитирующих элементов. Внешняя цилиндрическая поверхность служит для точной установки и фиксации катода во внутренней цилиндрической проточке держателя. Внутренняя коническая поверхность либо выполнена с тем же углом, что и при вершине игольчатого анода, либо угол дополнительно корректируется с целью увеличения степени равномерности износа конической поверхности анода. Выполнение эмитирующих элементов из фольги неполной вырубкой с последующим отгибом элементов перпендикулярно поверхности фольги дает широкие возможности изменения импеданса трубки путем изменения количества эмитирующих элементов, а также достижения равномерного износа анода путем подбора требуемой конфигурации как эмитирующей поверхности, так и формы и взаимного расположения эмитирующих острий.
Закрепление катододержателя с радиальным зазором во внутренней проточке корпуса позволяет осуществлять точную центровку катодной эмитирующей поверхности относительно анода, что способствует равномерному износу анода и обеспечению стабильных параметров рентгеновского импульса.
Уплотнение стыкуемых фланцев медными прокладками позволяет расширить температурный диапазон работы и повысить степень и надежность вакуумной откачки трубки.
Таким образом, использование перечисленных признаков позволяет выполнить задачу данного изобретения путем расширения эксплуатационных возможностей трубки.
На фиг. 1 приведена конструкция заявляемой рентгеновской трубки, на фиг. 2 - ее электродный узел с увеличением 2:1, где:
1 - металлический корпус;
2 - обечайка;
3, 4 - фланцы корпуса;
5, 6 - медные прокладки;
7 - выпускное окно;
8 - фланец окна;
9 - изолирующий узел;
10 - фланец;
11 - мембрана выпускного окна;
12 - защитный экран;
13 - керамический изолятор;
14 - переходник;
15 - резьбовой хвостовик;
16 - шток;
17 - анодный экран;
18 - игольчатый анод;
19 - катододержатель;
20 - полувтулки взрывоэмиссионного катода;
21 - эмитирующие элементы;
22 - патрубок для откачки воздуха;
23 - дополнительный патрубок.
Заявляемая разборная рентгеновская трубка в примере конкретного исполнения содержит металлический корпус 1 с обечайкой 2 и фланцами 3 и 4, к которым через медные прокладки 5 и 6 присоединены выпускное окно 7 с фланцем 8 и изолирующий узел 9 с фланцем 10, вместе образуя вакуумно-плотную оболочку трубки. Окно содержит тонкую мембрану 11, прозрачную для рентгеновского излучения и служащую для вывода его из трубки к регистрируемому объекту. В состав изолирующего узла, кроме фланца 10 с защитным экраном 12, входят керамический изолятор 13, к малому основанию которого припаян переходник 14 с резьбовым хвостовиком 15. На хвостовике закреплен шток 16, на противоположном резьбовом конце которого установлен анодный экран 17 с игольчатым анодом 18. Со стороны, противоположной изолирующему узлу 9, во внутренней проточке корпуса 1 закреплен като до держатель 19. В его внутреннюю цилиндрическую проточку с дальнейшей фиксацией вставлен взрывоэмиссионный катод, содержащий две полувтулки 20, на внутренней поверхности которых точечной сваркой закреплены полоски танталовой фольги со штампованными эмитирующими элементами 21. Края элементов, обращенные к аноду, образуют общую поверхность взрывоэмиссионого катода трубки.
Импульсная рентгенвская трубка работает следующим образом. При поступлении импульсов высокого напряжения на анод 18 через экран 17, шток 16 и переходник 14, на каждом эмитирующем элементе формируется плазменный сгусток, с поверхности которого в электрическом поле высокой напряженности инжектируются электроны и ускоряются в направлении анода. При торможении в материале анода происходит генерация рентгеновского излучения, которое через выпускное окно 7 поступает к регистрируемому объекту.
Катододержатель 19 имеет радиальный зазор 1.5 мм относительно внутренней проточки в корпусе 1. При ослаблении его фиксации в проточке корпуса возможна регулировка радиального положения для компенсирования несоосности катода относительно анода в результате сумарной погрешности изготовления и крепления деталей.
-3
Заявляемая трубка успешно прошла испытания в ускорителе на базе генератора Аркадьева-Маркса с амплитудой напряжения разрядного контура 1.2 MB и емкостью около 85 пФ. Вакуумная откачка производилась через патрубок 22 до остаточного давления не более 10 Па. Поддержание вакуума осуществлялось миниатюрным магниторазрядным насосом через дополнительный патрубок 23. На расстоянии 1 м зарегистрирована доза рентгеновского излучения 18-20 мР за импульс. Ресурс анода диаметром 3 мм из лантанированного или торированного вольфрама составляет в среднем 30-40 импульсов. Благодаря заявочной конструкции трубки удобно и легко осуществляется ее обслуживание и замена вышедших из строя элементов и узлов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1 Патент RU №135 449 U1, H01J 35/00 «Импульсная рентгеновская трубка», Меркулов Борис Петрович, Маханько Дмитрий Сергеевич, Фокин Василий Михайлович, Якуб Алексей Александрович, опубликовано 10.12.2013.
2 Патент RU №156 022 U1, H01J 35/00 «Импульсная рентгеновская трубка», Меркулов Борис Петрович, Маханько Дмитрий Сергеевич, Фокин Василий Михайлович, опубликовано 27.10.2015.
3 Патент RU №163 224 U1, H01J 35/00 «Импульсная рентгеновская трубка», Меркулов Борис Петрович, Мельничук Геннадий Васильевич, Маханько Дмитрий Сергеевич, опубликовано 10.07.2016.
4 Э.-Г.В. Александрович, Н.В. Белкин, М.А. Канунов, А.А. Разин. Малогабаритная импульсная рентгеновская трубка с самовосстанавливающимся автокатодом .// ПТЭ. 1972. №6. С 198-199.
5 Э.-Г.В. Александрович, Н.В. Белкин, Н.А. Дронь, ГН. Слоева. Малогабаритная импульсная рентгенографическая трубка. // ГГГЭ. 1974. №5. С 189-190.