ОСТРОФОКУСНАЯ ДВУХЭЛЕКТРОДНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА
FINE-FOCUS DOUBLE-ELECTRODE PULSED X-RAY TUBE

Изобретение относится к рентгеновской технике и может быть использовано в импульсных рентгеновских аппаратах для получения коротких рентгеновских импульсов большой интенсивности для регистрации быстропротекающих процессов в оптически плотных средах, рентгенографии, дефектоскопии, медицинской диагностике и т.д.
Известна импульсная трехэлектродная рентгеновская трубка, состоящая из анода в виде стержня, заточенного под конус, катода в виде металлической шайбы и поджигающего электрода, расположенного в непосредственной близости от катода [Г.Томер. Физика быстропротекающих процессов. М.: Мир, 1971, с.340]. Известное устройство работает следующим образом. Между анодом и катодом прикладывается высокое постоянное напряжение величиной в сотни киловольт. При приходе импульса высокого напряжения на поджигающий электрод происходит электрический пробой между катодом и поджигающим электродом. В результате пробоя образуется плазма, которая служит источником электронов. Электроны ускоряются в промежутке между катодом и анодом и тормозятся материалом анода, в результате торможения генерируется рентгеновское излучение. Длительность излучения определяется временем перемыкания диода плазмой и составляет обычно величину менее 100 нс. Недостатком данного устройства является использование поджигающего электрода, для работы которого требуется применение высоковольтного поджигающего генератора, что усложняет конструкцию рентгеновского аппарата. Кроме того, использование высокого постоянного напряжения требует применения больших изоляционных промежутков, на порядок превышающих изоляционные промежутки для наносекундных импульсов. В результате возрастают габариты и масса аппаратуры, усложняется ее обслуживание.
Указанных недостатков лишена двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка, состоящая из анода в виде стержня небольшого диаметра с торцом, заточенным под конус, цилиндрического полого катода, соосно расположенного с анодом и удаленного от него на некотором расстоянии по оси [В.А.Цукерман, М.А.Монакова. Источники коротких рентгеновских вспышек для исследования быстропротекающих процессов. // ЖТФ, 1957, т.27, N 2, с.43-57.]. Торец цилиндрического катода для снижения напряжения возникновения эмиссии электронов заточен так, что толщина стенки составляет несколько микрон. Расстояние до анода и диаметр цилиндра определяются из параметров импульсов высокого напряжения. При приходе импульса высокого напряжения на анод на заточенном конце катодного цилиндра возникает взрывная эмиссия электронов. Образовавшиеся электроны бомбардируют коническую часть анода. В результате торможения электронов в материале анода генерируется рентгеновское излучение, распространяющееся по оси через катод и выходное окно. Действующий рентгеновский фокус на оси установки не превышает диаметра анода, угол расходимости излучения - менее 15°, рабочее напряжение - не менее 500 кВ. Недостатки данного устройства следующие: а) значительное превышение профильного рентгеновского фокуса над осевым; б) малый угол расходимости излучения; в) высокий уровень рабочего напряжения.
Указанные недостатки приводят к снижению резкости рентгеновских снимков от центра к периферии, уменьшению размеров рентгеновских снимков, уменьшению контраста изображения объектов с низкой рентгеновской плотностью.
14
Известна малогабаритная острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка [Э.-Г.В.Александрович, Н.В.Белкин, Н.А.Дронь, Г.Н.Слоева. Малогабаритная импульсная рентгеновская трубка. // ПТЭ, 1974 N 5 с.189-190]. Трубка состоит из конического анода, катода в виде диска из тантала толщиной 20 мкм с центральным отверстием, кромки которого служат автоэмиттером, токоввода, соединенного с анодом, выходного окна и изоляционного корпуса. Трубка работает аналогично предыдущей, рабочее напряжение трубки 120-200 кВ, угол расходимости излучения более 60°. Для обеспечения максимального рентгеновского выхода высота выступающей за плоскость катода конической части анода должна составлять 6-12 мм. При высоте меньше некоторой величины нормальная работа трубки нарушается, появляется большая нестабильность излучения от импульса к импульсу и после определенного числа включений интенсивность излучения падает до нуля. При оптимальных зазорах стабильная генерация рентгеновского излучения начинается при скорости нарастания напряжения на трубке 10 В/с. Недостатками описанного устройства являются: а) амплитудная и пространственная нестабильность рентгеновского излучения, обусловленная большой нестабильностью тока электронов взрывной эмиссии с металлического катода и образованием одного центра эмиссии, место положения которого мигрирует от выстрела к выстрелу; б) значительное увеличение эффективного рентгеновского фокуса при удалении от оси трубки, обусловленное большой длиной выступающей части анодного конуса за пределы плоскости катода; в) необходимость обеспечения высокой скорости нарастания напряжения на трубке для получения взрывной эмиссии электронов с металлического катода. Указанные недостатки приводят к тому, что: а) удовлетворительное качество рентгеновских снимков можно получить только при пленочной регистрации и экспозиции пленки десятками и сотнями импульсов, т.е. работать в режиме накопления, когда флуктуации излучения от импульса к импульсу усредняются; б) невозможно использовать трубку в рентгеноскопическом режиме, например в рентгенотелевизионных системах, когда необходимо формировать качественное рентгеновское изображение в пределах одного телевизионного кадра, т.е. за время 20-40 мс; в) резкость изображения падает от центра к периферии; г) необходимость обеспечения высокой скорости нарастания напряжения приводит к повышенным требованиям к генератору высокого напряжения для питания трубки.
Наиболее близким аналогом является острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская, известная из патента RU 2174726. Известная трубка состоит из цилиндрического стержневого анода 1 диаметром d, выполненного из материала с большим атомным номером. Торец анода оканчивается полусферой. При необходимости иметь меньший размер рентгеновского фокуса торец анода выполняют в виде усеченного конуса с полусферическим окончанием. Катод состоит из диэлектрической шайбы 2, на которую накладывается металлическая гребенка 3 таким образом, что кончики зубцов гребенки имеют пружинящий контакт с торцевой плоскостью диэлектрической шайбы. Торец анода выступает за плоскость
диэлектрической шайбы, на которой установлена гребенка на расстоянии h≅r, где r - радиус полусферы. Катодный узел укреплен в металлическом стакане, вмонтированном в заземленный фланец 4 трубки. На этом же фланце установлено окно 5 для вывода рентгеновского излучения. Фланец 4 имеет герметичное соединение с цилиндрическим корпусом 6 трубки. На противоположном конце корпуса установлен высоковольтный фланец 7, соединенный с токовводом 8. На токовводе укреплены анод 1, штенгель 9 для вакуумирования трубки, гетеры 10 для поддержания высокого вакуума.
Техническим результатом является повышение пространственной равномерности, стабильности амплитуды рентгеновских импульсов, повышение частоты следования импульсов, увеличение мощности, рассеиваемой анодом. Результат достигается за счет того, что анод выполнен в виде стержня с конусообразным окончанием, на цилиндрическую поверхность которого напрессован радиатор в виде цилиндра из материала с высокой теплоемкостью и температуропроводностью. Конусообразное окончание анода находится в плоскости, проходящей через поверхность взрывоэмиссионного катода. Взрывоэмиссионный катод выполнен в виде керамической шайбы и металлического кольца, находящихся в механическом контакте с целью формирования тройной точки (контакт металл-вакуум-диэлектрик), обеспечивающей высокую плотность тока эмиссии.
К недостаткам следует отнести малую допустимую тепловую нагрузку на аноде этой конструкции и, как следствие, низкую частоту следования импульсов. Отсутствие защиты изолятора трубки от продуктов распыления материала анода и, как следствие, снижение электрической прочности конструкции. Катодный электрод в виде гребенки обладает малой теплоемкостью, что приводит к его распылению в процессе эксплуатации. Отсутствие отверстий в катодном узле, приводящее к затруднению удаления плазмы из разрядного промежутка. Отсутствие экранировки задней полусферы трубки от рентгеновского излучения.
Целью настоящего изобретения является повышение интенсивности импульсов рентгеновского излучения, увеличение частоты следования рентгеновских импульсов до нескольких кГц, увеличение рассеиваемой анодом мощности, улучшение стабильности импульсов во времени, введение экранировки задней полусферы трубки от рентгеновского излучения.
Указанная цель достигается за счет того, что в острофокусной двухэлектродной импульсной рентгеновской трубке, состоящей из анода, предназначенного для торможения электронного пучка и генерации рентгеновского излучения, дискового взрывоэмиссионного катода для генерации электронного пучка, токоввода для подвода высокого напряжения, герметичного корпуса с окном для вывода излучения, внутри которого находится вакуум, разделяющий катод и анод, катод выполнен в виде шайбы из термостойкого диэлектрика, на которую накладывается металлическая шайба с внутренним диаметром большим, чем внутренний диаметр диэлектрической шайбы, находящаяся в механическом контакте по внутреннему диаметру с диэлектрической шайбой, а коническая часть анодного стержня выступает за плоскость сечения, перпендикулярного оси трубки, проходящего через контакты диэлектрической шайбы и гребенки, на расстояние, определяемое величиной необходимого размера рентгеновского фокуса.
На Фиг.1 приведен вариант предлагаемого устройства, где 1 - цилиндрический стержневой анод;
2 - радиатор, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью;
3 - диэлектрическая шайба;
4 - металлическая шайба;
5 - окно для вывода рентгеновского излучения;
6 - фланец;
7 - цилиндрический корпус трубки;
8 - высоковольтный фланец;
9 - токоввод;
10 - штенгель для вакуумирования трубки;
11 - геттер для поддержания высокого вакуума.
Трубка состоит из цилиндрического стержневого анода 1 диаметром d, выполненного из материала с большим атомным номером. Торец анода 1 оканчивается конусом. На анод 1 напрессован радиатор 2, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью. Катод состоит из диэлектрической шайбы 3, на которую накладывается металлическая шайба 4 таким образом, что внутренний диаметр ее имеет механический контакт с торцевой плоскостью диэлектрической шайбы 3. Торец анода 1 выступает за плоскость диэлектрической шайбы 3, на которой установлена гребенка на расстоянии h≅r, где r - радиус ожидаемого фокусного пятна. Катодный узел укреплен в металлическом стакане с отверстиями 12, вмонтированном в окно 5 для вывода рентгеновского излучения. Фланец 6 имеет герметичное соединение с цилиндрическим корпусом 7 трубки. На противоположном конце корпуса установлен высоковольтный фланец 8, соединенный с токовводом 9. На токовводе укреплены анод 1, штенгель 10 для вакуумирования трубки, гетер 11 для поддержания высокого вакуума.
11
Устройство работает следующим образом. При приходе импульса высокого напряжения на анод 1 возникает высокая напряженность электрического поля в области сильноточного диода. В месте контакта металлической шайбы 4 с диэлектрической шайбой 3 происходит значительное усиление напряженности электрического поля, т.к. потенциал проводящей металлической шайбы 4 равен нулю, а потенциал непроводящей диэлектрической шайбы 3 отличен от нуля. Таким образом, из-за высокой напряженности электрического поля в месте контакта возникает разряд в микрозазорах между металлом и диэлектриком, происходящий с образованием плазмы. Плазма является эмиттером электронов. Уровень и скорость подъема напряжения, при котором возникает разряд на порядок ниже, чем требуемые уровень и скорость подъема напряжения возникновения взрывной эмиссии электронов при отсутствии диэлектрика. Поскольку такой пробой не замыкает основные электроды, т.е. является частичным, то для его образования требуется незначительная энергия. Низкий уровень напряжения и энергии, необходимые для возникновения частичного разряда, позволяют создать разряд в каждой точке контакта металла с диэлектриком. Таким образом, на поверхности диэлектрической шайбы 3 возникает несколько источников электронов, расположенных по окружности. Под действием электрического поля электроны ускоряются и бомбардируют анод 1. Зарождение множества центров эмиссии, симметрично расположенных относительно анода 1, позволяет добиться пространственной равномерности излучения, хорошего его повторения от импульса к импульсу. Поскольку распространение электронов ограничено поверхностью диэлектрической шайбы 3, то бомбардировке подвергается только конусная часть анода 1, что гарантирует незначительное изменение действующего рентгеновского фокуса в центре и на периферии снимка. Наличие радиатора 2 в виде цилиндра из материала с высокой теплоемкостью и температуропроводностью, напрессованного на анод 1 из материала с большим атомным номером, обеспечивает эффективный отвод тепла от анодного стержня, что позволяет увеличить рассеиваемую на аноде 1 мощность и, как следствие, повысить частоту следования рентгеновских импульсов до нескольких кГц. Это решение позволяет снизить скорость нарастания импульсов высокого напряжения до 5·10 В/с и использовать данную рентгеновскую трубку в режимах телевизионной регистрации быстропротекающих процессов в рентгеноскопии.
Были проведены сравнительные испытания трубки предлагаемой конструкции и рентгеновской трубки Ж83-Р832. Частота следования импульсов на момент испытания для предлагаемой трубки составила 5 кГц, для трубки Ж83-Р832 - 1 кГц. Средняя рассеиваемая мощность предлагаемой трубки 1.5 кВт, для Ж83-Р832 - 600 Вт. Трубка выдержала более 100 тыс.импульсов и продолжает стабильно работать.