ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА

Полезная модель относится к области рентгеновской техники и может быть использована 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, а также очень малой рабочей поверхностью анода, что приводит к его сильной эрозии и увеличению фокуса, т.е. к ухудшению разрешающей способности при контроле дефектов в исследуемых объектах.
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.
Известна также импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде 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) в виде кольца с максимальным диаметром, определяемым сечением анода в плоскости расположения катода, и малая доза рентгеновского излучения за импульс из-за малой площади рабочей поверхности катода, определяемой диаметром отверстия в катоде и толщиной острийной кромки катода. Наличие просвета в фокусном пятне приводит к искажению результатов как технической, так и медицинской диагностики.
Наиболее близкой к предполагаемой полезной модели импульсной рентгеновской трубки с взрывной эмиссией 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 с осесимметричным отверстием 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. [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 предотвращают от прямого воздействия продуктов эрозии материала электродов на внутреннюю поверхность изолятора, что снижает осаждение продуктов эрозии, обеспечивая, таким образом, 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.
К недостаткам следует отнести малую дозу излучения в импульсе из-за небольшой рабочей поверхности катода, определяемой геометрическими размерами кромки отверстия в катоде и небольшую долговечность в заданном эксплуатационном режиме. Фокусное пятно имеет форму кольца, что является также недостатком, т.к. наличие просвета в фокусном пятне приводит к серьезным ошибкам в диагностике.
Задачей данной полезной модели является создание острофокусной импульсной рентгеновской трубки с большой дозой рентгеновского излучения.
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 с осесимметричным отверстием относительно анода, выполненного в виде цилиндрического стержня, переходящего в конус, направленного в сторону окна, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора и соединенный с его меньшим основанием, ниже катода соосно ему размещены N≥2 дополнительных катодов, расположенных на расстоянии друг от друга порядка 3 мм, имеющих осевые отверстия, через которые в направлении окна проходит конусная часть анода, выполненная с заострением под углом не более 60°, размещенным ниже плоскости расположения катода на расстоянии не более 2 мм, при этом диаметр отверстия первого дополнительного катода равен диаметру отверстия катода, отношение диаметров сечения анода плоскостями расположения дополнительных катодов к диаметру отверстия в них составляет 0,37±25%, а угол сужения конусной части анода составляет 10÷20°.
Введение N≥2 дополнительных катодов, заданная форма всех катодов и анода, их взаимоположение позволяют получить импульсную рентгеновскую трубку с диаметром фокусного пятна менее 1,5 мм. Выбор количества катодов определяется требованиями к мощности рентгеновского излучения и к геометрическим размерам фокусного пятна. Увеличение числа катодов приводит к увеличению суммарной рабочей поверхности катодов, что способствует росту эмиссионного тока и, следовательно, мощности рентгеновского излучения.
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 заявленной полезной модели. 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 чертежами, где на фиг.1 представлен один из вариантов предлагаемой конструкции импульсной рентгеновской трубки, а на фиг.2 показана зависимость интегральной дозы рентгеновского излучения от отношения диаметра сечения острийного анода с плоскостью расположения катода к диаметру осесимметричного отверстия в нем.
1
2
2
3
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, расположенного вне корпуса 1, другое основание корпуса 1 соединено с окном 3, выполненным в виде цилиндра с дном из бериллия для выхода мягкого рентгеновского излучения и через держатели 4, 5 и 6 соответственно с катодом 7, первым 8 и вторым 9 дополнительными катодами, которые все выполнены из полиакрилонитрильных углеродных волокон, расположенных перпендикулярно оси прибора на держателях 4, 5 и 6, имеющих форму чаши с осевым отверстием в дне и закрепленных на держателях точечной сваркой посредством тонких металлических колец 10, 11 и 12 соответственно, при этом торцы углеродных волокон образуют границу отверстий катодов осесимметричных относительно острийного анода 13, два защитных экрана 14 и 15, закрывающие внутреннюю поверхность изолятора 2 от напыления продуктов эрозии материалов электродов, вывод анода 16, проходящий по оси прибора и соединенный с меньшим основанием изолятора 2, штенгель 17 для откачки рентгеновской трубки, при этом все катоды имеют одну ось симметрии, совпадающую с осью прибора, и расположены на расстоянии друг от друга в пределах 3 мм. Катод 7 расположен выше вершины конусной части анода 13 не более чем на 2 мм, первый дополнительный катод 8 расположен непосредственно у основания заострения вершины конусной части анода 13, а второй дополнительный катод 9 расположен ниже дополнительного катода 8. Диаметры отверстий в катодах выбраны исходя из обеспечения условий большей вероятности одновременной эмиссии электронов с рабочих поверхностей всех катодов. Для обеспечения одновременной работы всех катодов диаметр Д отверстия в катоде 7 выбран равным диаметру Д отверстия в катоде 8, а диаметры Д и Д отверстий в катодах 8 и 9 соответственно и в последующих катодах выбираются такими, чтобы соблюдались соотношения диаметров сечений d острийного анода с плоскостями расположений катодов к диаметрам отверстий в них в пределах 0,37±25%. При таких условиях распределение электрического поля в промежутках между кромками отверстий катодов и рабочей поверхностью анода такого, что электроны покинувшие катоды в момент приложения высоковольтного импульса напряжения долетят до поверхности анода одновременно и при условии низкого порога эмиссии электронов вызовут поток мягкого рентгеновского излучения большой мощности. Катоды рентгеновской трубки из полиакрилонитрильных углеродных волокон обладают низким порогом эмиссии, что позволяет генерировать мягкое рентгеновское излучение большой мощности. В конструкции импульсной рентгеновской трубки показанной на фиг.1 при работе катода 7, расположенного выше вершины заострения конусной части анода не более чем на 2 мм, рабочей поверхностью анода является вся поверхность заострения конусной части анода от вершины до основания заострения, поэтому фокусом трубки при работе катода 7 является круг с диаметром основания заострения без наличия просвета по центру, т.е. отсутствует недостаток присущий панорамным рентгеновским трубкам с острийным анодом из-за затенения рентгеновского излучения материалом анода лежащего выше плоскости расположения катода в направлении оси прибора. При работе катода 8, расположенного в плоскости проходящей через основание заострения конусной части анода, рабочей поверхностью анода является кольцевая поверхность, являющаяся частью конусной поверхности анода ниже линии пересечения с плоскостью расположения катода 8 в некоторой окрестности этой линии определяемой процессом разлета электронов при взрывной электронной эмиссии. При работе катода 9, расположенного ниже катода 8 на расстояние, находящееся в пределах 3 мм, рабочей поверхностью анода является кольцевая поверхность части конусной поверхности анода, лежащей в окрестности линии пересечения с плоскостью расположения катода 9 с учетом разлета электронов при взрывной электронной эмиссии.
Одновременная работа катодов 7, 8 и 9 значительно расширяет рабочую поверхность анода, что уменьшает эрозию материала анода и способствует увеличению долговечности в заданном эксплуатационном режиме, а также дает мощный поток мягкого рентгеновского излучения при использовании в качестве материала катода полиакрилонитрильных углеродных волокон. Максимальный диаметр фокусного пятна определяется работой катода 9 и при выборе диаметра основания заострения вершины конусной части анода равной 0,5 мм, α=10°, расстояния между катодами h=3 мм составляет не более 1,5 мм.
Указанный выбор диаметров отверстий в катодах, их взаимного расположения и угла α конусной части анода в интервале 10÷20° создает при работе трубки примерно равные условия срабатывания промежутков между катодами и анодом, а в процессе тренировки импульсной рентгеновской трубки предлагаемой конструкции происходит выравнивание условий срабатывания трубки с разными катодами за счет выработки материала катодов. После тренировки импульсная рентгеновская трубка работает с обеспечением эмиссии электронов с большей части острий рабочих поверхностей всех катодов (с торцов углеродных волокон), что способствует генерации мощного рентгеновского излучения. Рабочая поверхность анода в этом случае является вся конусная поверхность от сечения плоскостью расположения третьего катода до вершины.
max
В процессе проведения работ в ОАО «Плазма» г.Рязань по созданию импульсных рентгеновских трубок с острийным анодом (панорамного облучения) ИРТП-240, ИРТП3-150Д, ИРТП3-Д, ИРТП4-240Д была выявлена закономерность зависимости приведенной интегральной дозы рентгеновского излучения от отношения диаметра сечения острийного анода с плоскостью расположения катода к диаметру осесимметричного отверстия в нем. На фиг.2 представлена данная зависимость D/D=f(d/Д), где:
D - интегральная доза рентгеновского излучения;
max
D - максимальная интегральная доза рентгеновского излучения;
d - диаметр сечения острийного анода плоскостью расположения катода;
Д - диаметр отверстия в катоде.
Как видно из зависимости (фиг.2) наибольшая приведенная интегральная доза рентгеновского излучения соответствует значению d/D≈0,37, а при изменении этого соотношения в пределах 0,25≤d/D≤0,5 приведенная интегральная доза не изменяется более чем на 10%.
Условия, оговоренные в предлагаемой заявке, с целью получения острофокусной трубки с диаметром фокусного пятна не более 1,5 мм для случая с тремя катодами определяют угол конусной части анода а по формуле:
3
2
α=2·arctg(d-d)/2h,
2
где: d - диаметр основания заострения вершины конусной части анода через которое проходит плоскость расположения второго катода;
3
d - диаметр сечения анода плоскостью расположения третьего катода;
h - расстояние между катодами.
С конструктивной точки зрения для обеспечения максимальной рабочей поверхности анода и равномерной выработки с учетом разлета электронов при взрывной эмиссии целесообразно принимать h в пределах 2,5÷5,0 мм. Тогда, рассчитывая по формуле, имеем α≈10÷20°.
При подаче ускоряющего импульса высокого напряжения на анод 13 (катоды 7, 8 и 9 заземлены) в межэлектродном пространстве создается высокая напряженность электрического поля с максимальным значением в непосредственной близости от вершины конусной части анода и внутренней кромки отверстия в катоде 7, а также в межэлектродном пространстве между внутренней кромкой отверстия в катоде 8 и анодом 13, вызывающая автоэлектронную эмиссию с внутренних кромок отверстий катодов 7, 8 и 9, переходящую в взрывную эмиссию электронов с образованием потока электронов, двигающихся к аноду 13. В результате соударения электронов с анодом 13 и их торможения происходит генерация рентгеновского излучения. Максимальный диаметр фокусного пятна в этой конструкции рентгеновской трубки определяется диаметром сечения анода 13 плоскостью расположения катода 9, а рабочая поверхность анода является конусная поверхность от сечения плоскостью расположения катода 9 до вершины конусной части анода 13.
На основании заявленного технического решения были изготовлены и испытаны три макетных образца импульсной рентгеновской трубки с использованием базовой конструкции ИРТП-150Д, выпускаемой ОАО "Плазма" г.Рязань, с тремя катодами, расположенными осесимметрично относительно анода, первый из которых расположен выше вершины заострения конусной части анода на расстояние 2 мм, второй - первый дополнительный катод расположен в плоскости, проходящей через основание заострения вершины конусной части анода, а третий - второй дополнительный катод расположен ниже второго на расстояние 3 мм. Катоды выполнены из полиакрилонитрильных углеродных волокон.
Сравнительные измерения диаметра фокусного пятна макетных образцов импульсных рентгеновских трубок с различными углами конусной части анода приведены в таблице:
Угол конусной части анода α, °
Диаметр сечения анода плоскостью расположения третьего катода
Расстояние между дополнительными катодами h, мм
Диаметр фокусного пятна F, мм
10
1,04
3
1,15
20
1,4
3
1,5
30
2,1
3
2,3
Выбор угла конусной части анода менее 10° не целесообразен по конструктивным соображениям, т.к. уменьшается рабочая поверхность анода, что ограничивает ресурс работы рентгеновской трубки, и конусная часть анода, лежащая выше плоскости третьего катода, ослабляет рентгеновское излучение по оси прибора. Как видно из таблицы при увеличении угла конусной части анода свыше 20° диаметр фокусного пятна заметно увеличивается. Как показали измерения диаметра фокусного пятна, приведенные в таблице, его размер практически определяются величиной диаметра сечения анода плоскостью расположения третьего катода. Следовательно, для создания острофокусной трубки с диаметром фокусного пятна менее 1,5 мм необходимо выбирать угол конусной части анода от 10° до 20°.
Проводились сравнительные измерения величины дозы рентгеновского излучения макетных образцов по предлагаемой заявке за один импульс непосредственно у окна рентгеновской трубки с обычной рентгеновской трубкой с одним катодом при напряжении на аноде 104 кВ и длительности импульса 10 не. Катоды всех трубок выполнены из полиакрилонитрильных углеродных волокон. Для трубки с одним катодом доза рентгеновского излучения была равна 30 мР за импульс, а для макетных образцов предлагаемой конструкции она составила около 50 мР.
Проводились также сравнительные измерения макетных образцов импульсных рентгеновских трубок с различными углами заострения вершин. Установлено, что при угле заострения менее 60° фокусное пятно имеет форму круга, без просвета по центру, что гарантирует высокое качество промышленной и медицинской диагностики.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать острофокусную импульсную рентгеновскую трубку с диаметром фокуса менее 1,5 мм с большой мощностью рентгеновского излучения мягкого диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображений при работе с объектами разной оптической плотности и осуществлять контроль объектов с повышенной разрешающей способностью за счет меньшей геометрической нерезкости.