ОСТРОФОКУСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА

Полезная модель относится к рентгеновской технике, а именно к острофокусным рентгеновским трубкам.
Известна конструкция рентгеновской трубки, которая содержит вакуумную оболочку с выводным окном, внутри вакуумной оболочки размещены источник электронов, фокусирующая система и анод с нанесенным на его поверхность слоем металла отражательной мишени. В одном из вариантов выполнения этой трубки поверхность анода с нанесенным на нее слоем металла мишени имеет наклон по отношению к продольной оси трубки, с которой совпадает ось пучка электронов (US №6282263, опубл. 28.08.2001).
Данная рентгеновская трубка специально сконструирована так, чтобы к выводному окну снаружи можно было вплотную подвести вход устройства для фокусировки рентгеновского излучения. Однако выводное окно выполнено в виде трубчатого рентгенопрозрачного элемента, являющегося частью боковой стенки вакуумной оболочки и окружающего отражательную мишень. Оно расположено в боковой стенке вакуумной оболочки и поэтому не может, находится от фокального пятна на расстоянии меньше, чем радиус мишени. Кроме того, при данной конструкции трубки это потребовало бы уменьшения размеров анода и привело бы к ухудшению теплоотвода от мишени, а, следовательно, и к уменьшению мощности трубки.
Известна также рентгеновская трубка, содержащая вакуумную оболочку с выводным окном, расположенным в торце трубки, и размещенные внутри вакуумной оболочки источник электронов, формирующая и фокусирующая электронно-оптические системы и анод, выполненный в виде усеченного конуса, имеющего край, к которому примыкает внутренняя поверхность выходного окна, при этом источник электронов и фокусирующая система выполнены и установлены с возможностью формирования пучком электронов фокального пятна на слое металла мишени, нанесенным на поверхность анода, вблизи края анода, к которому примыкает внутренняя поверхность окна (RU №29405, H01J 35/02, опубл. 2003.05.10).
Данное решение принято в качестве прототипа.
Анод такой рентгеновской трубки может быть выполнен, в частности, в виде массивного тела со сквозным отверстием в виде усеченного конуса. Вход сквозного отверстия, соответствующий большому основанию усеченного конуса, обращен в сторону источника электронов, а слой металла мишени нанесен на стенку сквозного отверстия. Выход сквозного отверстия, соответствующей малому основанию конуса, расположен в торце рентгеновской трубки, противоположном источнику электронов, и перекрывается выводным окном. При этом кромка выхода сквозного отверстия является тем краем анода, к которому примыкает внутренняя поверхность выводного окна.
Данная трубка позволяет обеспечить создание малого расстояния между фокальным пятном и поверхностью выводного окна без уменьшения мощности трубки за счет того, что сформированный и сфокусированный пучок электронов формирует фокальное пятно на слое мишени, нанесенном на поверхность анода вблизи края анода, к которому примыкает внутренняя поверхность выводного окна.
Однако известная рентгеновская трубка обладает следующими недостатками.
Во-первых, рентгеновское излучение выходит под определенным углом к выходному окну, а именно, под углом α≈70° к оси трубки и, следовательно, к оси падающего пучка электронов.
Во-вторых, при использовании части выходного окна с напыленной мишенью, на выходе рентгеновской трубки будет два лепестка рентгеновского излучения - перпендикулярно к плоскости окна и под углом 90°-£ к этой плоскости. В этом случае использовать рентгеновскую короткофокусную линзу представляется проблематичным и даже невозможным, так как использовать придется один из лепестков.
В-третьих, в патенте не приводится область значений радиуса выходного окна. Можно предположить, что реальная величина должна существенно превышать размеры фокуса электронного пучка, только в этом случае реально использовать поверхность мишени на конусной поверхности анода рентгеновского излучения. В противном случае рентгеновское излучение просто не выйдет за пределы трубки. Поэтому использование решения по прототипу в режиме пролетной острофокусной трубки затруднено.
В-четвертых, из-за падения сфокусированного пучка электронов на наклонную криволинейную поверхность мишени - анода, рентгеновское излучение на входе рентгеновской трубки в поперечном сечении к оси излучения имеет форму отличную от круга, что не позволяет полностью использовать всю энергию пучка при применении рентгеновской линзы или коллиматора.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции рентгеновской трубки и получении малого фокусного пятна при повышенной мощности излучения.
Указанный технический результат достигается тем, рентгеновская острофокусная трубка содержит вакуумную оболочку с выводным окном, расположенным в торце трубки, и размещенные внутри вакуумной оболочки источник электронов, формирующую и фокусирующую электронно-оптические системы и анод, выполненный в виде усеченного конуса, имеющего край, к которому примыкает внутренняя поверхность выходного окна, при этом источник электронов и фокусирующая система выполнены и установлены с возможностью формирования пучком электронов фокального пятна на слое металла мишени, нанесенным на поверхность анода, вблизи края анода, к которому примыкает внутренняя поверхность окна, источник электронов, формирующая и фокусирующая электронно-оптические системы и анод с конусным отверстием с примыкающим к малому выходному отверстию конуса анода выходным окном, расположены аксиально общей оси, материал мишени нанесен на всю внутреннюю конусную поверхность анода и внутреннюю поверхность окна, электронный поток сформирован и направлен на конусную поверхность анода и поверхность окна, ограниченную выходным отверстием конуса анода, при этом диаметр d выходного конусного отверстия или диаметр d выходного окна с напыленной мишенью, длина образующей конуса L и диаметр Dэп электронного пучка выполнены в соотношении 20d>Dэп>3d L≥(30÷100)d, а угол при вершине конусного отверстия анода выбран из соотношения tqα={(3÷20)d·3}/L, но не более 5°, а ножка с катодом и электронной формирующей системой соединена с оболочкой и анодом - мишенью юстируемым сильфонным узлом.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - конструкция рентгеновской трубки согласно настоящей полезной модели;
фиг.2 - узел выходного окна рентгеновской трубки по фиг.1.
Предлагаемая согласно полезной модели рентгеновская трубка имеет аксиальную симметричную схему конструктивного расположения катода, формирующей и фокусирующей электронной оптики, массивного анода с отверстием в виде усеченного конуса с малым углом при вершине и нанесенной на поверхность этого конуса материала мишени или выполненным из материала мишени, а на выходе малого отверстия конуса установлено выходное окно, с нанесенной на него мишенью, при этом сформированный и сфокусированный электронный поток, совпадающий с осью анода в виде усеченного конуса с малым углом при вершине, направлен на выходное окно и конусную поверхность анода, примыкающую к выходному окну.
Заявленная полезная модель рассматривает конструкцию острофокусной пролетной рентгеновской трубки, наглядно представленную на фиг.1 и 2, обеспечивающую увеличение выходной мощность излучения и устойчивый тепловой режим выходного окна.
Рентгеновская трубка содержит герметичную вакуумную оболочку 1 с источником электронов, катод 2, формирующую 3 и фокусирующую 4 электронно-оптические системы, радиатор 5, отражательный элемент 6, выводное окно 7, отражательную мишень 8, на картинке по фиг.2 так же показаны ось 9 и электронный пучок 10.
Электронный пучок 10, эмитируемый катодом 2 и сформированный системой 3 и сфокусированный системой 4, направлен по оси 9 на анод рентгеновской трубки, который представляет собой систему из отражательного элемента 6 с аксиально выполненным отверстием в виде усеченного конуса с малым углом конусности, примыкающего вплотную со стороны малого отверстия конуса к пластине с выводным окном 7, прозрачным для рентгеновского излучения. Отражательный элемент 6 соединен с массивным радиатором 5, являющимся частью герметичной оболочки 1 рентгеновской трубки. На конусную поверхность отражательного элемента 6 и на поверхность выводного окна 7, размеры которого повторяют размер малого отверстия усеченного конуса нанесен (напылен) материал (слой металла или напыление из селена-74 или иттрия, молибдена или кремния), обеспечивающий генерацию рентгеновского излучения при падении на нее электронного потока 10. Материал на поверхности конусного отверстия отражательного элемента 6 образует отражательную мишень 8, а на пластине в зоне выводного окна формируется проходная мишень.
Такое конструктивное расположение элементов трубки позволит распределить энергию электронного пучка между отражательным элементом и окном, в результате чего достигается более высокая мощность рентгеновского излучения, так как тепловая нагрузка приходится в основном на отражатель и отводится массивным радиатором, который в свою очередь может охлаждаться дополнительно внешней системой (на рисунках не представлена).
При аксиальном расположении отражателя с мишенью и взаимодействующим с ним электронного пучка малое выходное отверстие конуса выполняет роль коллиматора рентгеновского излучения, получаемого на отражательной конусной поверхности.
Таким образом, на выходе трубки будет присутствовать излучение от конусной поверхности отражательной мишени и излучение от пролетной мишени выводного окна, при этом фокальное пятно рентгеновского излучения будет определяться размером малого конусного отверстия отражателя.
Взаимодействие электронного пучка, его расположение по отношению к поверхности отражателя и выводного окна, представлено на фиг.2.
ф
эп
эп
ф
эп
Малый диаметр усеченного корпуса d выполнен равным заданному размеру фокального пятна излучения d рентгеновской трубки, угол при вершине усеченного конуса α выбран не более 5° при этом диаметр электронного потока сформирован, близким к параллельному, с диаметром D, размер которого ограничен соотношением D:d=(2+10), при этом длина L образующей усеченного конуса или его высота, выбрана из соотношения L≥10 D, а диаметр выходного отверстия d (диаметр d выходного конусного отверстия или диаметр d выходного окна с напыленной мишенью) ограничен конструктивным исполнением.
Таким образом, диаметр d выходного конусного отверстия или диаметр d выходного окна с напыленной мишенью, длина образующей конуса L и диаметр Dэп электронного пучка выполнены в соотношении 20d>Dэп>3d L≥(30÷100)d, а угол при вершине конусного отверстия анода выбран из соотношения tqα={(3÷20)d·3}/L, но не более 5°, а ножка с катодом и электронной формирующей системой соединена с оболочкой и анодом - мишенью юстируемым сильфонным узлом.
При проведенных выше соотношениях сложение излучения от отражающей поверхности и от пролетной мишени на внутренней поверхности выходного окна дает наиболее равномерную интенсивность рентгеновского излучения в пределах угла β. Такая диаграмма излучения рентгеновской трубки практически наиболее приемлема для многих применений.
Выполнение блока анода в виде совмещенной отражательной конусной поверхности, пролетной мишени малого диаметра и формирование электронного пучка, существенно превосходящего по размерам выходное отверстие отражателя, позволяет снизить точность изготовления деталей и упростить сборку всей трубки по сравнению с трубкой по прототипу.
Кроме того, малое отверстие отражателя выполняет роль коллиматора рентгеновского излучения и позволяет отказаться в ряде случаев от применения фокусирующих рентгеновских линз.
При изготовлении рентгеновской трубки с малым, порядка 10÷50 микрон фокальным пятном, сложно совместить сформированный пучок электронов с осью конусной мишени и центром выходного окна. Чтобы упростить изготовление и сборку всей трубки, катодная ножка, на которой установлен катод и формирующая электронная оптика, организованные в виде отдельного конструкционного узла, выполнена в виде сильфонного юстируемого узла, позволяющего изменять положение электронного пучка в пространстве относительно анода и мишени. Юстируемый узел позволил точно совместить электронный пучок с осью анода - мишени и обеспечить максимальную мощность и симметричную диаграмму рентгеновского излучения. Сильфонный узел юстировки не показан, так как представляет собой известное решение, широко используемое, например в оптических уситрйостива. Изготовленный образец рентгеновской трубки с конструктивными размерами отражательной мишени и выводного окна в соответствии с описанием предлагаемой полезной модели позволил получить раскрыв диаграммы рентгеновского излучения в пределах до 90°.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволила достичь поставленной цели - устранить недостатки прототипа, получить большую мощность рентгеновского излучения и упростить конструкцию трубки.