Генератор рентгеновского излучения

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к рентгенотехнике, а более конкретно к рентгеновской аппаратуре, содержащей рентгеновские трубки, с установкой, по меньшей мере части питающей аппаратуры в одном с ними корпусе, и может использоваться при разработке генераторов рентгеновского излучения (ТРИ) для неразрушающего контроля преимущественно в полевых условиях, в частности, для контроля сварных швов нефтепроводов, газопроводов и нефтепродуктопроводов с расположением ГРИ внутри трубы.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
Известно использование для охлаждения анодного узла рентгеновского аппарата, находящегося под высоким напряжением газа или масла, например, в источнике [http://prokontrol.ru/files/docs.pdf| приведена классификация рентгеновских трубок и схем их подключения: «При ускоряющем анодном напряжении (15÷200) кВ используют однополярные трубки, так называемые трубки с заземленным анодом, в которых на катод через высоковольтный кабель подают высокий отрицательный потенциал, а анод заземляют. В этом случае возможно охлаждение анода непосредственно водой. При ускоряющем напряжении более 200 кВ до 450 кВ используют двухполярные рентгеновские трубки с подачей на каждый электрод своего потенциала через высоковольтный кабель. В этом случае используют масляное охлаждение анода». Для эффективного охлаждения используют принудительную циркуляцию масла. В свою очередь, масло также необходимо охлаждать, обеспечивая тем или иным способом сброс тепла в окружающее пространство. Таким образом, в состав ГРИ дополнительно включают, по крайней мере, масляный насос и теплообменник, что усложняет и затрудняет применение таких ГРИ в полевых условиях.
Из публикации на сайте ООО «Диагностика-М» [http://tsnk.ru/about/] «Частотно-импульсные рентгеновские аппараты» авторов Штейн М.М., Демченко С.Л., Шумный Е.П. (г. Томск) Усачев Е.Ю., Твердохлебов В.Н., Юматов А. (г. Москва) известно применение мощных портативных моноблочных аппаратов на рентгеновских трубках с подогревным катодом. Масса и габариты двух основных блоков таких аппаратов - моноблока (излучателя) и силового пульта питания и управления - позволяет достаточно легко переносить их и устанавливать моноблок в необходимую позицию с помощью легких штативов или кронштейнов. «В аппаратах серии РАП применена так называемая частотно-импульсная схема силового питания рентгеновской трубки: на электроды трубки с главного трансформатора подаются силовые высоковольтные импульсы длительностью 100-400 мкс и частотой до 1 кГц. Форма импульсов приближена к прямоугольной с длительностью фронтов 20-25%." В таблице 1 источника приведены основные параметры выпускаемых частотно-импульсных аппаратов серии РАП.
В аппаратах этой серии применяют как однополярное питание с заземленным анодом, так и двухполярное питание, но без принудительной циркуляции масла за счет внешнего масляного насоса. Сброс тепла от анода на корпус излучателя осуществляется за счет теплопроводности масла, а от корпуса его обдувом вентилятором. Так как теплопроводность масла низкая, эффективность охлаждения невысока, что приводит к необходимости снижать мощность аппарата и увеличивать паузы в его работе. В конечном итоге снижается производительность и увеличиваются затраты на контроль.
Известно техническое решение, относящееся к решению проблемы изоляции в рентгеновском моноблоке большой мощности, используемым для рентгенодефектоскопии. раскрытый в авторском свидетельстве СССР [SU980297 (А1) - 1982-12-07]. Рентгеновский моноблок содержит корпус, заполненный трансформаторным маслом, расположенные в; корпусе два высоковольтных трансформатора, подключенные к электродам трубки, мотор с крыльчаткой для перемешивания масла и змеевик охлаждения. Высоковольтные трансформаторы, включенные в противофазе, создают между анодом и катодом рентгеновской трубки переменное высокое напряжение. При работе моноблока на большой мощности (500 Вт) тепло, выделяемое на аноде рентгеновской трубки, может проводить к сгоранию масла вблизи анода и к локальному перегреву моноблока. Для устранения этого с помощью вращающейся крыльчатки производят непрерывное перекачивание масла из области анода к змеевику, через который прокачивается охлаждающая жидкость.
К недостаткам этого технического решения можно отнести наличие мотора с крыльчаткой и змеевика охлаждения, что усложняет конструкцию и приводит к увеличению размеров и массы моноблока, так как указанные элементы, находящиеся под нулевым потенциалом, должны быть расположены на необходимом расстоянии от элементов моноблока, находящихся под высоким напряжением. В полевых условиях, когда водопровод отсутствует, такой ГРИ должен быть укомплектован автономной жидкостной системой охлаждения, что создает проблемы при транспортировке аппаратуры и ее применении при отрицательных температурах и внутритрубном просвечивании.
Во всех доступных в открытой печати аналогах при двухполярном питании рентгеновской трубки предлагается для отвода тепла от анода использовать масляное охлаждение. Выше были рассмотрены существенные конструктивные и эксплуатационные недостатки таких технических решений.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
В основу полезной модели поставлена задача разработки генератора рентгеновского излучения (ГРИ) с двухполярным питанием рентгеновской трубки, в котором высокое напряжение подводится к аноду и катоду от двух высоковольтных импульсных трансформаторов и характеризующегося специальными конструктивными характеристиками опорного изолятора анода (форма и материал - высокотеплопроводная керамика).
Технический результат - значительный отвод тепла анода, одной из высокопотенциальных частей генератора рентгеновского излучения при сохранении изоляционных свойств (электрической прочности).
Еще одним техническим результатом является снижение габаритов и веса ГРИ за счет исключения автономной жидкостной системы охлаждения.
И еще одним техническим результатом является увеличение производительности неразрушающего контроля в полевых условиях за счет увеличения мощности трубки и сокращения пауз в работе.
Поставленная задача решается тем, что как и известное предлагаемое устройство (ГРИ) содержит корпус, размещенные в нем рентгеновскую трубку, установленную своими катодом и анодом на опорные изоляторы, и источник высокого напряжения с выводом средней точки, включающий два импульсных высоковольтных трансформатора, причем отрицательный вывод источника соединен с катодом рентгеновской трубки, положительный с ее анодом, а средняя точка с корпусом.
12
Новым является то, что опорный изолятор анода выполнен из керамического материала с коэффициентом теплопроводности, составляющим не менее 15 Вт/(м⋅°К), предпочтительно не менее чем 20 Вт/(м⋅°К) и электросопротивлением не менее 10 Ом⋅см.
2
3
В качестве такой керамики может быть использована корундовая керамика с содержанием AlO не менее 94 мас. %, а также керамика из оксида магния, оксида бериллия, нитрида алюминия, нитрида бора, нитрида кремния, алюмомагнезиальной шпинели.
Предпочтительно использована корундовая керамика или керамика в основе которой лежит нитрид алюминия или нитрид бора.
При этом упомянутый изолятор выполнен цилиндрической формы с канавками на торцах цилиндра и установлен так, что вся внутренняя поверхность цилиндра имеет плотный контакт с анодом рентгеновской трубки, а наружная поверхность с корпусом.
Кроме того, корпус ГРИ выполнен цилиндрической формы с ребрами на боковой поверхности из металла, хорошо проводящего тепло, например, алюминиевого сплава.
Предпочтительно, что двухполярный источник выполнен как два импульсных трансформатора, высоковольтные выводы вторичных обмоток, которых соединены соответственно с катодом и анодом рентгеновской трубки, низковольтные выводы этих обмоток соединены с корпусом, и первичные обмотки соединены параллельно таким образом, что при подаче на них импульса напряжения на катоде трубки генерируется отрицательная полярность высокого напряжения, а на аноде положительная.
Заявленная полезная модель относится к конструктивным элементам рентгеновского генератора и обеспечивает значительный отвод тепла от анода рентгеновской трубки, находящегося под высоким потенциалом и обеспечивающим тем самым значительные конкурентные преимущества перед аналогичными генераторами, работающими в сложных климатических условиях.
Изолятор предназначен для крепления анода рентгеновской трубки в корпусе генератора рентгеновского генератора с панорамным выходом.
Основным преимуществом по сравнению с известными техническими решениями является обеспечение значительного отвода тепла от теплонагруженных высокопотенциальных частей рентгеновского генератора за счет применения в материале высоковольтного изолятора корундовой керамики или керамики в основе которой лежит нитрид алюминия или нитрид бора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.
На фиг. 1 приведено конструктивное исполнение генератора с двухполярным питанием рентгеновской трубки.
На фиг. 2 приведена электрическая схема соединений основных элементов ГРИ.
На фиг. 3 приведено конструктивное исполнение опорного изолятора анода, выполненного из керамического материала.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.
Предлагаемое устройство (Фиг. 1, Фиг. 2) - генератор рентгеновского излучения (ГРИ), содержит корпус 1, рентгеновскую трубку 2, установленную своими анодом 3 и катодом 4 на опорные изоляторы соответственно: анодный изолятор 5 и катодный изолятор 6, двухполярный источник высокого напряжения с выводом средней точки, отрицательный вывод этого источника соединен с катодом 4 рентгеновской трубки, положительный вывод с ее анодом 3, а средняя точка с корпусом 1. Двухполярный источник выполнен как два импульсных трансформатора 7 и 8, высоковольтные выводы вторичных обмоток (W2) которых соединены соответственно с анодом 3 и катодом 4 рентгеновской трубки (фиг. 3), низковольтные выводы этих обмоток соединены с корпусом 1, и первичные обмотки (W1) соединены параллельно таким образом, что при подаче на них импульса напряжения на катоде 4 трубки генерируется отрицательная полярность высокого напряжения, а на аноде 3 положительная.
Опорный изолятор 5 анода 3 (фиг. 3) рентгеновской трубки 2 выполнен из керамического материала с высоким коэффициентом теплопроводности и имеет цилиндрическую форму с канавками 9, выполненными на торцах цилиндра. Канавки 9 увеличивают расстояние по поверхности от радиатора 10 анода 3 до корпуса 1, тем самым снижая вероятность поверхностного пробоя.
Важно осуществить плотное прилегание анода 3 рентгеновской трубки и поверхности внутреннего диаметра изолятора 5. Для этого детали разогреваются и заливаются оловом (пропаиваются). Таким образом, обеспечивается заполнение возможных неплотностей.
Изолятор опытного образца ГРИ изготавливали из корундовой керамики марки ВК-94-1 (22ХС), состоящей из 94,5% оксида алюминия (корунда) и 5,5% спекающих Добавок оксидов кремния, марганца, хрома. Синтез спека проводили обжигом при 1350°С тонкомолотой смеси (шихты), состоящей из технического глинозема марки Г00 и оксидов спекающих добавок. Полученный спек дробился и измельчался в шаровой мельнице до получения порошка с размерами частиц менее 3 мкм. Для изготовления изолятора использовали технологический процесс горячего литья под давлением.
УСТРОЙСТВО РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ.
При подаче от источника положительного и отрицательного напряжения на рентгеновскую трубку между ее анодом 3 и катодом 4 формируется напряжение, равное сумме напряжений от обоих импульсных трансформаторов 7 и 8. Из-за большой разности потенциалов между катодом 4 и анодом 3 поток электронов ускоряется и приобретает большую энергию. Полученный ускоренный пучок электронов попадает на положительно заряженный анод 3. Достигая анода, электроны испытывают резкое торможение, моментально теряя большую часть приобретенной энергии. При этом возникает тормозное излучение рентгеновского диапазона. В процессе торможения лишь около 1% кинетической энергии электрона идет на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло. Чтобы предотвратить перегрев анода 3 и продлить время непрерывной работы рентгеновского аппарата, в том числе при высоких температурах окружающей среды, когда необходимо как можно быстрее и эффективнее отводить то тепло, которое выделяется на аноде рентгеновской трубки. Изолятор, выполненный из теплопроводящей керамики (керамический материал с коэффициентом теплопроводности, составляющим не менее 15 Вт/(м⋅°К)), в сотни раз, лучше проводит тепло, чем изоляторы, сделанные из традиционных изолирующих материалов, таких как полиамид или фторопласт и омываемые при этом трансформаторным маслом. Тепло, выделяемое на аноде 3 рентгеновской трубки, его основная масса, кратчайшим образом транслируется на внешние стенки корпуса 1 с выполняемого с максимально развитой поверхностью. Тем самым наращивается градиент температур между внешней стенкой корпуса 1 и окружающей средой, ускоряющей естественный отток тепла. Для ускорения этого процесса на внешние стенки корпуса 1 устанавливаются вентиляторы 12, обдувающие корпус потоком более холодного воздуха.
Конструкция ГРИ с двухполярный питанием, выполненная с применением предлагаемого в настоящей полезной модели керамического изолятора позволяет существенно снизить габаритные размеры источников питания, изоляция которых относительно корпуса должна быть рассчитана на половинное напряжение питания рентгеновской трубки. По условиям теплоотвода предлагаемое техническое решение максимально приближается к ГРИ, построенным по схеме с заземленным анодом и имеющим один источник отрицательного напряжения с большими габаритными параметрами.
В опытном образце двухполярный источник выполнен как два импульсных трансформатора, высоковольтные выводы вторичных обмоток, которых соединены соответственно с катодом и анодом рентгеновской трубки, низковольтные выводы этих обмоток соединены с корпусом, и первичные обмотки соединены параллельно таким образом, что при подаче на них импульса напряжения на катоде трубки генерируется отрицательная полярность высокого напряжения, а на аноде положительная.