ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА

Полезная модель относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при разработке импульсных рентгеновских трубок для использования в малогабаритных рентгеновских аппаратах, в частности для медицинской диагностики и лечения заболеваний, а также в других областях техники.
Известна острофокусная импульсная рентгеновская трубка, состоящая из катода, включающего шайбу из термостойкого диэлектрика, на которой расположена гребенка, образованная металлической шайбой, имеющей радиальные прорези, расходящиеся от центра, с внутренним диаметром больше, 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, герметичного корпуса, выполненного из изолирующего материала, с окном для вывода рентгеновского излучения [патент РФ №2174726, H01J 35/00, Н05G 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. К достоинству рентгеновской трубки следует отнести малый размер фокусного пятна 1,2 мм, что в 2-2,5 раз меньше, чем у рентгеновских трубок ИМА-2 и ИМА-5, используемых в большинстве импульсных рентгеновских аппаратах. Малый размер фокусного пятна позволяет осуществлять контроль объектов с повышенной разрешающей способностью за счет меньшей геометрической нерезкости.
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 линейного термического расширения (КЛТР) с очень низкой теплопроводностью.
Отсутствие в этой рентгеновской трубке хорошего теплоотвода значительно ограничивает срок службы при работе в жестких энергетических режимах. Внутренняя поверхность изолятора конструктивно не защищена от попадания продуктов эрозии материала электродов, что ограничивает электрическую прочность и соответственно долговечность. В процессе наработки происходит неравномерное напыление продуктов эрозии материала электродов, что вызывает неравномерное распределение электрического потенциала вдоль образующей изолятора. В данной конструкции импульсной рентгеновской трубки в качестве изолятора используется полый стеклянный цилиндр. Из-за неравномерного напыления продуктов эрозии материала электродов при подаче на электроды высоковольтного импульса ускоряющего напряжения на внутренней поверхности изолятора создается критическая напряженность электрического поля, при которой возникает импульсная корона, которая сильно разогревает изоляционную (стеклянную) оболочку прибора, вызывая газовыделение и ухудшая вакуум.
В этой конструкции импульсной рентгеновской трубки пространственная равномерность рентгеновского излучения обеспечивается только в начале наработки до образования металлизации на поверхности диэлектрической шайбы от внутренней кромки отверстия до мест касания металлических концов гребенки (катода). Наличие металлизации на поверхности диэлектрической шайбы со стороны контакта с катодом и отсутствия центровки отверстия в ней (диэлектрическая шайба имеет скользящий контакт с металлической гребенкой и не имеет фиксации с осевой симметрией относительно оси анода) происходит неравномерная выработка материала анода вокруг оси в плоскости касания концов гребенки с поверхностью диэлектрической шайбы, что нарушает пространственную равномерность рентгеновского излучения и увеличивает диаметр фокусного пятна.
Для увеличения ресурса рентгеновской трубки в этой конструкции предусмотрен газопоглотитель в виде объемного кольца из пористого титана, расположенного на значительном расстоянии от электродной системы и соединенного с анодом посредством материала 29НК (ковара), имеющего очень низкую теплопроводность, поэтому газопоглотитель слабо греется в процессе работы и не эффективно работает.
Известна также 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 проходит острийный анод, первый защитный экран в виде цилиндрического стакана с отверстием в центре дна, соединенный с корпусом и ограничивающий объем, в котором соосно расположены острийный анод и второй защитный экран в виде диска, вывод анода, проходящий через отверстие в дне первого экрана в полость изолятора и соединенный с его меньшим основанием [Л.Я.Морговский, Е.А.Пеликс. Импульсная рентгенография. Аппараты серии «Арина», ООО «Спектрофлэш», Санкт-Петербург, 1999 г.].
Преимуществом данной рентгеновской трубки является ее простота, низкая себестоимость и малый вес. В данной конструкции цилиндрический экран и защитный экран в виде диска, расположенный на выводе анода, защищают внутреннюю поверхность изолятора от напыления продуктами эрозии материала электродов. Однако для обеспечения электропрочности рентгеновской трубки цилиндрический экран не может быть глубоко внедрен в объем изолятора, поэтому его экранирующие действия неэффективны. К тому же он выполнен из ковара (29НК), обладающего низкой теплопроводностью, и не имеет контакта с внешней средой, так как находится внутри вакуумной оболочки. В процессе работы рентгеновской трубки цилиндрический экран сильно разогревается из-за плохого теплоотвода во внешнюю среду, поэтому продукты эрозии материалов электродов плохо осаждаются на внутренней поверхности цилиндрического экрана, запыляя при этом нижнюю часть изолятора ближе к месту соединения изолятора с выводом анода, что значительно снижает электрическую прочность рентгеновской трубки, ограничивая ее долговечность. Наличие защитного экрана в виде диска, размещенного на выводе анода около его острия, не может обеспечить достаточную экранировку внутренней поверхности изолятора от продуктов напыления.
К недостаткам следует отнести большой размер фокусного пятна (2,5-3,0 мм), определяемый сечением анода в плоскости расположения катода и ограниченную наработку.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели 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 проходит острийный анод, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора и соединенный с его меньшим основанием [патент РФ №2446508, H01J 35/00, 2012 г. - прототип].
В данной конструкции импульсной рентгеновской трубки выполнение ее внутренних элементов с заданной конфигурацией и с заданными геометрическими размерами предотвращает прямое воздействие продуктов эрозии материала электродов на внутреннюю поверхность изолятора, что снижает осаждение продуктов эрозии, обеспечивая, таким образом, сравнительно большую долговечность. Диаметр фокусного пятна такой трубки определяется диаметром сечения конусной части анода в плоскости расположения катода и лежит в пределах 1,5-2,5 мм.
Задачей данной полезной модели является создание импульсной рентгеновской трубки с большим ресурсом работы в заданном эксплуатационном режиме.
Указанный технический результат достигается тем, что в известную импульсную рентгеновскую трубку, содержащую 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 с осесимметричным отверстием относительно острийного анода, направленного в сторону окна, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора и соединенный с его меньшим основанием, введен газопоглотитель выполненный, например, в виде титановых бусинок, соединенных никелевой лентой, и закрепленный по периметру внутренней поверхности корпуса в непосредственной близости от электродов, например, точечной сваркой.
Импульсная рентгеновская трубка предлагаемой конструкции позволяет получить большую долговечность в заданном эксплуатационном режиме, путем введения газопоглотителя, расположенного в непосредственной близости от электродов.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам 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 полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель отвечает требованию «новизна» по действующему законодательству.
Заявленное техническое решение поясняется чертежом.
На фиг.1 показан 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 конуса и расположенного вне корпуса 1, другое основание корпуса 1 соединено с окном 3 в виде полусферы для выхода рентгеновского излучения и через держатель 4 с вольфрамовым катодом 5 с осесимметричным отверстием, через которое в направлении окна 3 проходит острийный анод 6 из тантала, при этом катод 5 уложен на держателе 4 и закреплен тонким металлическим кольцевым диском 7 посредством точечной сварки, газопоглотитель 8, выполненный в виде титановых бусинок, соединенных никелевой лентой 9, расположенный в непосредственной близости под держателем катода 4 и прикрепленный точечной сваркой к внутренней поверхности корпуса 1 по его периметру, два защитных экрана 10 и 11, закрывающие внутреннюю поверхность изолятора 2 от напыления продуктами эрозии материалов электродов, вывод анода 12, проходящий по оси прибора и соединенный с меньшим основанием изолятора 2, штенгель 13 для откачки рентгеновской трубки.
При подаче ускоряющего импульса высокого напряжения на анод 6 (катод 5 заземлен) в межэлектродном пространстве создается высокая напряженность электрического поля с максимальным значением в промежутке между кромкой отверстия в катоде 5 и точками поверхности анода, лежащими в окрестности линии пересечения с плоскостью расположения катода, вызывающая взрывную эмиссию электронов с микроострий катода 5 с образованием потока электронов, двигающихся к аноду 6. В результате соударения электронов с анодом 6 и их торможении происходит генерация рентгеновского излучения.
В процессе работы импульсной рентгеновской трубки в результате взрывной эмиссии электронов с эмиссионных центров, расположенных на кромке отверстия в катоде, и бомбардировки поверхности анода электронами происходит распыление материала электродов с газовыделением, ухудшающим вакуум. Газопоглотитель, выполненный из пористого материала и расположенный в непосредственной близости от электродов, разогревается до температуры, достаточной для эффективного поглощения им продуктов газовыделения, что позволяет поддерживать высокий вакуум в приборе и способствует увеличению ресурса в заданном эксплуатационном режиме работы.
6
6
На основании заявленной полезной модели был изготовлен макетный образец импульсной рентгеновской трубки с использованием базовой конструкции ИРТП3-150Д, выпускаемой ОАО "Плазма" г.Рязань с газопоглотителем в виде титановых бусинок, соединенных никелевой ленточкой и закрепленных по периметру внутренней поверхности корпуса в непосредственной близости от электродов точечной сваркой. Проведены сравнительные испытания с серийно выпускаемой трубкой ИРТП3-150Д в рентгеновском аппарате "АРИНА-3М", которые подтвердили правильность технических решений в заявленной полезной модели для увеличения ресурса в заданном эксплуатационном режиме. Ресурс макетного образца импульсной рентгеновской трубки составил 5·10импульсов, что практически в два раза превышает ресурс трубки ИРТП3-150Д, равный 3·10 импульсов.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с большим ресурсом работы в заданном эксплуатационном режиме.