ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА

Импульсная рентгеновская трубка относится к области рентгеновской техники и может быть использована при разработке импульсных рентгеновских трубок для применения в малогабаритных рентгеновских аппаратах, в частности, для медицинской диагностики и лечения заболеваний, а также в других областях техники.
Известна острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка, состоящая из анода, предназначенного для торможения электронного пучка и генерации рентгеновского излучения, дискового взрывоэмиссионного катода для генерации электронного пучка, токоввода для подвода высокого напряжения, герметичного изолирующего корпуса с окном для вывода излучения, внутри которого находится вакуум, разделяющий анод и катод, выполненный в виде шайбы из термостойкого диэлектрика, на которую накладывается металлическая шайба, находящаяся в механическом контакте по внутреннему диаметру с торцевой плоскостью диэлектрической шайбы, причем контактная поверхность металлической шайбы с диэлектрической шайбой обращена в сторону выходного окна, держатель катодного узла выполнен с отверстиями, необходимыми для быстрой релаксации анодной плазмы, а анод выполнен в виде стержня с конусообразным окончанием, на цилиндрическую поверхность которого напрессован радиатор в виде цилиндра из материала с высокими теплоемкостью и теплопроводностью, конусообразное окончание анода находится в плоскости, проходящей через поверхность катода, коническая часть анодного стержня выступает за плоскость сечения, перпендикулярного оси трубки, проходящего через контакты диэлектрической шайбы и гребенки, на расстояние, определяемое размером необходимого рентгеновского фокуса. [Патент РФ №2479883, H01J 35/00, 2013 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.
Известна также импульсная рентгеновская трубка, содержащая вакуумированный корпус, анод и закрепленный на изоляторе высоковольтный ввод с взрывоэмиссионным катодом, выполненным из материала с наноструктурой поверхности, например, на основе графита или полиакрилонитрильных углеродных волокон [Патент РФ №2308781, H01J 35/00, 2007 г.].
Основным преимуществом данной рентгеновской трубки по сравнению с трубками, имеющими катоды из тугоплавкого металла является увеличение ресурса стабильной работы и расширение функциональных возможностей рентгеновского аппарата за счет получения мощного излучения мягкого диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображений при работе с объектами разной оптической плотности.
К недостаткам следует отнести ограниченный срок службы из-за небольшой рабочей поверхности катода, определяемой выбранной конструкцией и способом его изготовления. В этой конструкции катода ограничение количества эмитирующих центров вызвано уменьшением геометрических размеров катода для получения малого фокуса (порядка 1 мм) в прострельной рентгеновской трубке, необходимого для качественной медицинской диагностики, что уменьшает интенсивность рентгеновского излучения, а, следовательно, и КПД трубки.
Отечественной промышленностью выпускаются полиакрилонитрильные углеродные волокна в виде жгутов из сотен и даже тысяч единичных волокон диаметром от 2 мкм до 10 мкм. Отдельные тонкие нити этих волокон не имеют достаточной механической прочности и при изготовлении импульсных рентгеновских трубок, в частности, в процессе откачки при обезгаживании они собираются в межэлектродном промежутке и создают электрические утечки до единиц Мом. Этот общий недостаток полиакрилонитрильных углеродных волокон устраняется технологическими операциями или конструктивным путем, позволяющими исключить попадание мелких частиц легких фракций углеродных нитей на внутреннюю оболочку изолятора прибора.
Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемой полезной модели является импульсная рентгеновская трубка, содержащая вакуумную оболочку, образованную металлическим корпусом, изолятором и окном для вывода рентгеновского излучения, в которой расположены анодный узел и катодный узел, состоящий из держателя катодов, имеющего форму цилиндрического кольца, на торцевых поверхностях которого выполнены осевые расточки с расположенными в них катодами из тугоплавкого металла с большим атомным номером в виде тонких колец, размещенных на расстоянии не менее 2 мм друг от друга, между которыми в держателе выполнены радиально проходящие отверстия с размещенными в них полиакрилонитрильными углеродными волокнами, собранными в жгут, пропитанный пироуглеродом, покрытый металлом и запаянный припоем, а на внешней боковой цилиндрической поверхности держателя катода по его периметру выполнен паз, соединяющий радиальные отверстия, в котором уложена, соединенная с держателем катода тонкая металлическая лента, фиксирующая расположение полиакрилонитрильных углеродных волокон и обеспечивающая электрический контакт их торцов, обращенных в сторону корпуса, с держателем катода, при этом расстояние от границы внутренних торцов углеродных волокон, обращенных к оси прибора, до поверхности острийного анода больше чем в два раза расстояний от границ отверстия катодов из тугоплавкого металла с большим атомным номером до поверхности острийного анода [Патент РФ №156022, H01J 35/00, 2015 г. - прототип].
Конструкция импульсной рентгеновской трубки, в которой катодный узел состоит из двух соосных катодов из тугоплавкого металла, имеющих форму тонких плоских колец, расположенных на расстоянии не менее 2 мм друг от друга, между которыми расположен катод из полиакрилонитрильных углеродных волокон, собранных в жгуты, пропитанные пироуглеродом, покрытых металлом и расположенных в радиально проходящих в держателях катода отверстиях, а торцы углеродных волокон, смещены относительно кромок катодов из тугоплавкого металла на такую величину, что позволяет значительно улучшить рентгенооптические характеристики и получить равномерное пространственное распределение рентгеновского излучения за счет низкого уровня напряжения возникновения эмиссии электронов с торцов волокон и расширения рабочих поверхностей катодов и анода. Удовлетворение требования по расположению катодов из тонкого тугоплавкого металла с большим атомным номером вызвано исключением их взаимного экранирования (расстояние между катодами должно быть не менее 2 мм) и обеспечением достаточной рабочей поверхности анода для получения мощного потока мягкого рентгеновского излучения с малым диаметром фокусного пятна (порядка 1,5 мм) необходимого для контрастного изображения при работе с объектами разной оптической плотности.
Диаграмма направленности излучения такой трубки определена конструкцией катодного узла и направлена вдоль оси прибора с углом не более 25°, что достаточно для рентгеновской диагностики. Для дефектоскопии металлоконструкций эта трубка имеет ограниченное применение, т.к. не может использоваться при панорамном облучении.
Задачей данной полезной модели является создание импульсной рентгеновской трубки с равномерным пространственным распределением рентгеновского излучения, большим сроком службы, улучшенными рентгенооптическими характеристиками, большим углом диаграммы направленности рентгеновского излучения, необходимого для панорамного облучения.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной импульсной рентгеновской трубке, содержащей вакуумную оболочку, образованную металлическим корпусом, изолятором и окном для вывода рентгеновского излучения, в которой расположены анодный узел с острийным анодом и катодный узел, состоящий из держателя катода, имеющего форму плоского цилиндрического кольца, на верхней торцевой поверхности которого выполнена осевая расточка с расположенным в ней катодом из тугоплавкого металла с большим атомным номером в виде тонкого кольца, а под ним в отверстиях, радиально проходящих в держателе катода, размещены полиакрилонитрильные углеродные волокна, электрически соединенные с держателем катода торцами, обращенными в сторону корпуса, собранные в жгут, пропитанный пироуглеродом, покрытый металлом и запаянный припоем, при этом расстояние от границы торцов полиакрилонитрильных углеродных волокон, обращенных к оси прибора, до поверхности острийного анода больше чем в два раза расстояния от границы отверстия катода до поверхности острийного анода, вершина острийного анода и плоскость, проходящая через оси радиальных отверстий в держателе катода, расположены на расстоянии не более 1 мм ниже катода
Расположение вершины острийного анода по оси прибора ниже плоскости расположения катода на расстоянии не более 1 мм увеличивает угол диаграммы направленности рентгеновского излучения до 150°. Расположение полиакрилонитрильных углеродных волокон в радиальных отверстиях держателя катода в плоскости, проходящей через оси отверстий в непосредственной близости от плоскости расположения катода на расстоянии не более 1 мм обеспечивает устойчивую генерацию рентгеновского излучения в широком диапазоне напряжений на трубке и равномерное пространственное распределение за счет низкого уровня напряжения возникновения эмиссии электронов с торцов полиакрилонитрильных углеродных волокон с равномерным распределением их плотности по всему периметру отверстия катода. Фокус рентгеновской трубки определяется геометрическим размером основания вершины острийного анода и лежит в пределах 1 мм.
Таким образом, предлагаемая конструкция разрядника позволяет получить улучшенные рентгенооптические характеристики (фокус трубки порядка 1 мм) с равномерным пространственным распределением излучения и с широкой диаграммой направленности, необходимой для панорамного облучения.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным 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 на полезную модель.
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 усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном 3 для вывода рентгеновского излучения и катодным узлом, состоящим из держателя катода 4, на верхней торцевой поверхности которого выполнена осевая расточка, в которой расположен катод 5 из тугоплавкого металла с большим атомным номером в виде тонкого кольца, соосно расположенного по оси прибора, ниже которого в держателе катода 4 выполнены радиально проходящие отверстия с размещенными в них полиакрилонитрильными углеродными волокнами 6, собранными в жгут, пропитанный пироуглеродом, покрытый металлом и запаянный припоем, при этом торцы полиакрилонитрильных углеродных волокон, обращенные к оси прибора, находятся на расстоянии от поверхности острийного анода 7, которое более чем в два раза превышает расстояние между внутренней кромкой катода 5 и поверхностью острийного анода 7, проходящего по оси прибора, а на внешней боковой поверхности держателя катода 4 по его периметру выполнен паз, соединяющий радиальные отверстия, в котором уложена тонкая металлическая лента 8 для фиксации полиакрилонитрильных углеродных волокон при сборки катодного узла для пайки и обеспечения электрического контакта торцов этих волокон с держателем катода 4, первый защитный экран 9, образованный полым цилиндром, соединенный одним основанием с корпусом 1, а другим - с большим основанием полого усеченного конуса, меньшее основание которого с отверстием в центре обращено в сторону меньшего основания изолятора 2, второй защитный экран 10 в виде цилиндра, соосный острийному аноду 7 и расположенный с ним в объеме, ограниченном первым защитным экраном 9 и корпусом 1, вывод острийного анода 11, проходящий через отверстие в первом защитном экране 9 в полость изолятора и соединенный с его меньшим основанием, штенгель 12 для откачки трубки.
При подаче высоковольтного наносекундного импульса напряжения на анод 7 через вывод 11 рентгеновской трубки, создаваемое электрическое поле в пространстве между анодом 7, катодом 5 и торцами полиакрилонитрильных углеродных волокон 6 вытягивает электроны из торцевых поверхностей полиакрилонитрильных углеродных волокон, обращенных к оси прибора, собранных в жгуты, которые, попадая в ускоряющее резко неоднородное электрическое поле между кромкой отверстия в катоде 5 из тугоплавкого металла с большим атомным номером и анодом 7, приобретают значительную кинетическую энергию при их движении к аноду 7. При торможении электронов материалом анода 7 их кинетическая энергия переходит в энергию рентгеновского излучения, при этом электронный ток, протекающий в пространстве между кромкой катода 5 и конической поверхностью анода 7 облегчает возникновение электронной эмиссии с острой кромки катода 5, приводящей к локальному разогреву их эмиссионных центров, а при вводе энергии за очень короткий промежуток времени (ед. нс.) к взрывной эмиссии с образованием высокой плотности электронного потока. В результате торможения электронов генерируется рентгеновское излучение.
Низкий уровень напряжения возникновения эмиссии электронов с торцов полиакрилонитрильных углеродных волокон с равномерным распределением их плотности по всему периметру расположения создают условия для устойчивой генерации рентгеновского излучения в широком диапазоне напряжений на трубке и его равномерного пространственного распределения с получением мощного потока мягкого рентгеновского излучения, необходимого для контрастного изображения объектов с разной оптической плотностью.
р.
На основе заявленной полезной модели создана импульсная рентгеновская трубка на базе серийно выпускаемой трубки ИРТП3-150 Д. Катодный узел этой трубки, состоит из держателя катода с осевой расточкой для укладки катода из вольфрама и радиальными отверстиями для расположения полиакрилонитрильных углеродных волокон, собранных в жгуты, пропитанных пироуглеродом, покрытых медью и запаянных припоем ПС-72В. На внешней боковой поверхности держателя катода по его периметру выполнено углубление, расположенное симметрично относительно плоскости, проходящей через оси радиальных отверстий, для фиксации полиакрилонитрильных углеродных волокон, собранных в жгуты, при сборке катодного узла для пайки и обеспечения электрического контакта торцов полиакрилонитрильных углеродных волокон с держателем катода посредством тонкой металлической полоски, уложенной в это углубление и соединенной с держателем катода, точечной сваркой. Такой катодный узел позволяет получить устойчивую генерацию рентгеновского излучения в широком диапазоне напряжений на трубке и равномерное пространственное распределение интенсивности излучения при расположении вершины острийного анода и полиакрилонитрильных углеродных волокон ниже плоскости расположения катода не более 1 мм. Данная конструкция трубки позволила получить фокус не более 1 мм с интенсивностью излучения за один импульс на расстоянии 5 см от окна трубки не менее 20 мР, что значительно превышает паспортные данные серийно выпускаемой рентгеновской трубки ИМА6-Д.
Предлагаемая конструкция импульсной рентгеновской трубки найдет широкое применение в разработке трубок с панорамным облучением для дефектоскопии металлоконструкций и медицинской диагностики.