ТОРМОЗНОЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ИСТОЧНИК (ВАРИАНТЫ)
BRAKING X-RAY SOURCE (VERSIONS)

Заявляемая группа изобретений относится к тормозным рентгеновским источникам (ТРИс) с принудительным охлаждением вращающегося анода.
Известны ТРИс с вращающимся анодом /Иванов С.А., Кириенко С.В. Мощные генераторы рентгеновского излучения с вращающимся анодом: обзоры по электронной технике. Серия 4, выпуск 1 (1100), М.: ЦНИИ «Электроника», 1985/, у которых малонадежными местами являются узлы вращения и уплотнения вакуум-атмосфера при вводе вращения в вакуум. Эти узлы накладывают ограничение на увеличение скорости вращения анода и тем самым на повышение удельной мощности источника и, как следствие, на повышение его яркости. Кроме того, эти источники требуют непрерывной откачки вакуумного объема, что усложняет и удорожает устройство.
Известны откачанные (отпаянные) рентгеновские трубки с вводом вращения в вакуум через герметичную стенку с помощью вращающегося магнитного или электромагнитного полей /Зеленев Ю.Н. Рентгеновские трубки для диагностики: обзоры по электронной технике. Серия 4 (1654), М.: ЦНИИ «Электроника», 1991/. Эти трубки работают за счет большой теплоемкости анода и режим работы у них кратковременный - после нескольких коротких экспозиций следует режим остывания с помощью инфракрасного излучения. Во многих случаях такой режим неприемлем, например в научных исследованиях, в томографии и т.п. Все эти устройства совместно с приводом вращения создают вибрации и неустойчивое пространственное положение фокуса источника (особенно это существенно при остром фокусе), что исключает их применение в рентгеновской литографии, в прецизионной томографии, медицинских аппаратах высокого разрешения и т.п. В известных коммерческих источниках с вращающимся анодом ограничен ресурс работы за счет уменьшения механической прочности анода в результате действия термоциклических нагрузок. Кроме того, не обнаружено рентгеновских источников с вращающимся анодом, который работает по схеме «на просвет» (прострельный анод), когда рентгеновское излучение проходит сквозь тонкий вращающийся анод с широко расходящимся полем излучения. Такие источники необходимы для рентгеновской проекционной микроскопии, промышленной томографии высокого разрешения, медицинских аппаратах специального назначения: мамографах, зубных и т.п.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство /RU 2068210, H01J 35/10, 1996/. В нем направление электронного пучка выбрано совпадающим или близким к направлению действия центробежной силы, действующей на мишень анода в области падения электронного пучка. При этом мощность электронного пучка выбрана достаточной для разогрева материала фокусной дорожки до температуры выше температуры его плавления. В устройстве вращающийся анод выполнен в виде полого цилиндра, что позволяет в разы увеличить удельную мощность и ресурс ТРИс.
Недостатками прототипа являются, во-первых, неустойчивое положение фокуса, которое обусловлено вибрациями, создаваемыми вынесенным приводом и подшипниками вращения. Во-вторых, мощность рентгеновского источника недостаточна, поскольку ограничена работоспособностью уплотнений вакуум-атмосфера при больших скоростях вращения. В-третьих, прототип конструктивно сложен и мало удобен в эксплуатации, поскольку требует наличия дорогой системы непрерывной откачки вакуумного объема анода. В-четвертых, технологические возможности прототипа ограничены, поскольку невозможно на вращающемся, охлаждаемом жидким теплоносителем аноде использовать схему «на просвет» одновременно со схемой «на отражение».
Задачей изобретения является создание тормозного рентгеновского источника с вращающимся анодом, лишенного указанных недостатков. Технический результат изобретения заключается в повышении точности позиционирования фокуса излучения, в увеличении удельной мощности источника, в снижении эксплуатационных затрат и затрат на изготовление, а также в расширении технологических возможностей источника.
Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается по первому и второму варианту тормозной рентгеновский источник с вращающимся анодом, содержащий корпус, электронную пушку и анод, выполненный в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого расположена фокусная дорожка. Отличительной особенностью источника по первому варианту является то, что корпус выполнен вакуумно-плотным в виде полого кольца и с, по меньшей мере, одним окном для выпуска рентгеновского излучения, расположенного на образующей поверхности цилиндра напротив электронной пушки. С внешней стороны образующей поверхности корпуса расположен, по меньшей мере, один канал для прохождения теплоносителя. На внутренней стороне корпуса выполнен кольцевой лоток. В лотке размещена подложка в виде слоя легкоплавкого, мало поглощающего рентгеновское излучение электропроводного материала, с температурой плавления, превышающей 45°С. Анод выполнен в виде тонкого кольца из мало поглощающего рентгеновское излучение материала по плотности меньше плотности материала подложки и контактирует с подложкой. На внутреннюю поверхность анода напротив электронной пушки нанесена фокусная дорожка из металла, способного излучать рентгеновские лучи заданной энергии, а на поверхность анода, не занятую излучающей дорожкой, нанесен слой из ферромагнитного материала. При этом полое кольцо корпуса надето на статор кольцевого электромагнитного привода и отделено от него стенкой из материала, проводящего электромагнитное поле.
Отличительной особенностью источника по второму варианту является то, что корпус выполнен вакуумно-плотным в виде полого кольца и с, по меньшей мере, одним окном для выпуска рентгеновского излучения, расположенного на торцевой поверхности корпуса в районе электронной пушки. С внешней стороны образующей поверхности корпуса расположен, по меньшей мере, один канал для прохождения теплоносителя. На внутренней стороне кольца корпуса выполнен кольцевой лоток, в лотке размещена подложка в виде слоя легкоплавкого, электропроводного материала, с температурой плавления, превышающей 45°С. Анод выполнен в виде тонкого кольца из ферромагнитного материала, по плотности меньше плотности материала подложки и контактирует с подложкой. На внутреннюю поверхность анода напротив электронной пушки нанесена фокусная дорожка из металла, способного излучать рентгеновские лучи заданной энергии. При этом полое кольцо корпуса надето на статор кольцевого электромагнитного привода и отделено от него стенкой, выполненной из материала, проводящего электромагнитное поле.
На фиг.1 показана схема ТРИс с вращающимся анодом «на просвет» и «на отражение» (первый вариант). ТРИс содержит вакуумный откачанный корпус 1. Электронная пушка 2, экранированная от действия электромагнитного поля, служит для создания и формирования электронного пучка 3 нужной плотности и формы. Анод выполняют в виде тонкого цилиндрического кольца 4 (анодное кольцо). На внутреннюю поверхность анодного кольца под электронной пушкой наносят излучающую дорожку 5 из металла, способного излучать рентгеновские лучи заданной энергии. На оставшуюся часть внутренней поверхности анодного кольца нанесят слой металла 6 (лучше ферромагнитного), который при работе источника служит ротором, вовлекающим во вращение анодное кольцо. Электронный пучок предназначен для возбуждения рентгеновского излучения 7, которое может выходить из источника через бериллиевые окна: 8 - окно «на просвет» и 9 - окно «на отражение». Анодное кольцо 4 лежит на подложке 10 из легкоплавкого металла или сплава, находящегося в твердом состоянии при нормальной температуре. Подложку лучше выполнять из материала более плотного, чем материал анодного кольца, так как анодное кольцо должно плавать на поверхности подложки. Подложку располагают в лотке 11, который представляет собой основание в виде тонкой перегородки корпуса 1, разделяющей металл подложки от теплоносителя, с боковыми бортиками, функции которых могут выполнять боковые стенки корпуса. Теплоноситель необходим для охлаждения и поддержания заданной температуры подложки. Для прокачки теплоносителя служат каналы 12 в корпусе и штуцеры входа 13 и выхода 14. Устройство прокачки, охлаждения и поддержания заданной температуры теплоносителя располагают вне ТРИс и на фигуре не показано. На тонкую стенку корпуса 15 из пропускающего электромагнитное поле материала насажен статор 16 привода вращения анодного кольца (ротора) 4. Кабель 17 служит для подачи высокого напряжения - U на электронную пушку 2.
α
В схеме «на просвет» анодное кольцо 4 выполняют, например, из бериллия толщиной 0,2÷0,4 мм, а подложку выполняют, например, из сплава K-Na с температурой плавления менее 70°С и толщиной около 0,3 мм. Эти материалы имеют хорошую пропускную способность для рентгеновского излучения с энергией 5 кэВ и более, которое используют в большинстве практических задач. С учетом выпускного окна потери интенсивности за счет поглощения будут не более 20% при энергии рентгеновских квантов 6 кэВ. Для более жестких лучей потери будут еще меньше. Например, для излучения МоК с энергией 17,5 кэВ потери будут не более 3%. При названных размерах расстояние от фокуса до внешней стороны выпускного окна будет около 1 мм. Это дает возможность свободно получить угол раствора рентгеновского излучения более 90°. Названные материалы можно использовать и в схеме «на отражение». В ТРИс по схеме «на просвет» каналы 12 занимают около 320 кольца корпуса 1.
На фигуре 2 показана схема ТРИс с вращающимся анодом «на отражение» (второй вариант). Обозначения те же, что и на фигуре 1. Если требуется использовать только схему «на отражение», анодное кольцо лучше выполнять из чистого железа, а подложку 10 из легкоплавкого материала более плотного, чем железо, например, из сплава In-Bi с аналогичной температурой плавления. В этом случае на внутреннюю поверхность анодного кольца наносят только излучающую дорожку 5. Слой металла 6 наносить нет необходимости, т.к. анодное кольцо выполнено из ферромагнитного материала. В схеме «на отражение» каналы 12 занимают все 360° кольца корпуса. Форму фокуса в этом случае лучше выбирать линейчатой, что еще увеличит яркость источника пропорционально увеличению площади фокуса.
2
-6
-16
-4
6
4
4
Ухудшения вакуума и уменьшения ресурса источника за счет испарения тонкого слоя расплавленной излучающей дорожки не будет. При расплавленном фокусе ⌀ 0,1 мм и скорости анодного кольца 100 м/с площадь участка анодного кольца, с температурой, существенной для испарения материала анода, будет 0,7 мм. Эта величина является следствием быстрого спада температуры до усредненной температуры кольца на участке в 5÷7 размеров фокуса за счет охлаждения. Отсюда время испарения составляет 5·10 с. За это время испаряется 3,5·10 г металла при толщине испарения 75·10 мм. Эта толщина определяется глубиной проникновения электронов в материал анода из железа при U=40 кВ. В случае диаметра анодного кольца 200 мм, ресурс ТРИс составит 1,84·10 часов, при ресурсе лучших известных рентгеновских трубок 10 часов. В нашем случае ресурс определяется другими узлами источника, например электронной пушкой. Вакуум не будет ухудшаться, так как испаряющиеся атомы анода, учитывая малые внутренние размеры ТРИс и очень малое их количество, практически мгновенно оседают на холодных деталях источника. Ухудшения вакуума за счет испарения расплавленного металла подложки также не будет. Во-первых, жидкий металл практически полностью закрыт анодным кольцом со стороны вакуума. Во-вторых, при температуре до 150°С, при которой обычно находится подложка, испарение даже у щелочных металлов минимально в течение свыше 10 рабочих часов. Минимальное количество испаряющихся атомов подложки также оседают на холодных деталях корпуса, не ухудшая вакуума.
ТРИс работает следующим образом.
Включают электромагнитный привод, подавая многофазное напряжение на статор 16. Начинает вращаться электромагнитное поле. Через штуцер 13 в каналы 12 подают теплоноситель, нагретый до температуры выше температуры плавления материала подложки 10. Выход теплоносителя происходит через штуцер 14. Тепло от теплоносителя через тонкое основание лотка 11 поступает к легкоплавкому материалу подложки 10, который начинает плавиться. Вращающееся электромагнитное поле, воздействуя на ротор 6, приводит во вращение анодное кольцо 4 и слой еще не расплавленного материала подложки 10. Центробежная сила прижимает жидкий материал подложки к лотку 11 и не дает ему вытекать из него. Через некоторое время расплавится весь материал подложки. По высоковольтному кабелю 17 на электронную пушку 2 подают напряжение - U. Из пушки 2 электронный пучок 3 попадает на излучающую дорожку 5, возбуждая рентгеновское излучение 7, которое через окна 8 и 9 поступает для использования. На возбуждение рентгеновского излучения идет не более 1% энергии электронного пучка. Остальная энергия идет на нагрев излучающей дорожки 5 и анодного кольца 4. Материал подложки 10 (с высоким коэффициентом теплопроводности) при вращении распространяет это тепло по всей окружности лотка 11. Через тонкое теплопроводное основание лотка тепло снимает теплоноситель и с ним через штуцер 14 уносит в устройство прокачки, охлаждения и поддержания температуры. В нем теплоноситель охлаждают и через штуцер 13 вновь подают в ТРИс с температурой выше температуры плавления материала подложки. Цикл повторяется.
Выключают ТРИс в обратном порядке.
Выключают высокое напряжение - U и одновременно электронный пучок. На излучающую дорожку и анодное кольцо прекращает поступать тепло. Включают подачу теплоносителя с нормальной температурой. Материал подложки застывает, прекращая вращение ротора с анодным кольцом. С момента начала подачи теплоносителя с нормальной температурой плавно понижают мощность электропривода и в момент остановки ротора с анодным кольцом выключают его. Выключают подачу теплоносителя. Сеанс закончен.
Использование изобретения позволяет:
- осуществить схему «на прохождение» в ТРИс с вращающимся анодом без существенных потерь мощности по сравнению с аналогичным источником по схеме «на отражение»;
- использовать источник как по схеме «на прохождение», так и по схеме «на отражение»;
- исключить систему вакуумной откачки, присущей для ТРИс с непрерывным, длительным режимом работы;
- расположение фокуса на внутренней поверхности анодного кольца практически полностью исключает влияние термокачек на прочность анода, увеличивая ресурс источника;
- плавленый фокус с использованием скрытой теплоты плавления и теплоты нагрева расплава до температуры, близкой к температуре испарения металла излучающей дорожки, позволяет увеличить в разы (для меди, серебра и тугоплавких металлов на порядок и более) яркость источника;
- легкое анодное кольцо, плавающее на жидкой подложке, позволяет увеличить его линейную скорость до V≥200 м/с и, тем самым, еще увеличить яркость источника пропорционально ;
- ликвидировать все вспомогательные механические узлы вращения анода и связанные с ними вибрации;
- жидкая подложка гасит (демфирует) малые вибрации легкого анодного кольца, связанные с неточностью его изготовления;
- исключить малонадежные и дорогие вращающиеся уплотнения атмосфера-вакуум;
- выполнить источник малогабаритным и сравнительно дешевым.