ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА

Полезная модель 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 импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус с прострельной мишенью и окном для вывода рентгеновского излучения, катод, внутренний изолирующий элемент, при этом мишень отделена от окна и крепится во внутренней полости трубки с помощью двух цилиндрических колец, имеющих зуб и паз так, что величина зазора между мишенью и катодом выполнена в пределах соотношения от 1:20 до 1:5 к наружному диаметру катода [Патент РФ №2160480, H01J 35/02, H05G 1/02, 2000 г.]
-10
Такая конструкция имеет малые габариты и при подаче импульса ускоряющего напряжения порядка 100 кВ длительностью 1,5·10с электронный ток в промежутке катод-мишень составляет более 10 кА при этом доза рентгеновского излучения у наружной поверхности выходного окна достигает 0,01 Гр за импульс.Использование тантала в качестве материала электродов дает некоторые преимущества по сравнению с другими материалами, например, вольфрамом. Тантал обладает меньшей работой выхода электронов, что позволяет повысить интенсивность излучения примерно на 10-20%.
К недостаткам данной импульсной рентгеновской трубки следует отнести низкий ресурс стабильной работы при напряжении на аноде менее 100 кВ. Известно, что в процессе взрывной электродной эмиссии происходит разрушение микроострий поверхности катода с образованием новых микроострий от импульса к импульсу, при этом характер микроострий зависит от вводимой энергии в катод. При напряжении на аноде менее 100 кВ в процессе наработки происходит сглаживание микроострий, что приводит к уменьшению коэффициента усиления внешнего поля на поверхности катода (эффект полировки). В этом случае импульсную рентгеновскую трубку невозможно использовать при низких рабочих напряжениях (<100кВ) для получения излучения мягкого диапазона.
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 5/00, 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 собираются в межэлектродном промежутке и создают электрические утечки до единиц Мом. Этот общий недостаток полиакрилонитрильных углеродных волокон устраняется технологическими операциями или конструктивным решением -мелкие частицы легких фракций углеродных нитей не должны попадать на внутреннюю оболочку изолятора прибора.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и катодом, через отверстие которого в направлении окна перпендикулярно плоскости расположения катода направлен острийный анод, первый защитный экран, образованный полым металлическим цилиндром, соединенный одним основанием с корпусом, а другим - с большим основанием полого усеченного конуса, меньшее основание которого с отверстием в центре обращено в сторону меньшего основания изолятора, вывод острийного анода, проходящий через отверстие в первом защитном экране в полость изолятора и соединенный с его меньшим основанием, второй защитный экран, например, в виде цилиндра (диска) соосный острийному аноду и расположенный с ним в объеме, ограниченном первым защитным экраном и корпусом, а катод выполнен из материала с наноструктурой поверхности, например, из полиакрилонитрильных углеродных волокон, расположенных на держателе катода (подложке) и направленных по радиусу перпендикулярно к оси прибора, при этом торцы углеродных волокон образуют границу отверстия в катоде и закреплены на держателе катода (подложке), посредством тонкого металлического диска в виде кольца путем точечной сварки [Патент РФ №2521433, H01J 35/00, 2014 г. - прототип].
Импульсная рентгеновская трубка с катодом заданной конструкции и выбранным материалом катода позволяет получить излучение большой мощности мягкого диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображений при работе с объектами разной оптической плотности.
К недостаткам данной импульсной рентгеновской трубки следует отнести ограниченный срок службы в заданном эксплуатационном режиме из-за низкой надежности крепления углеродных волокон к держателю катода (подложке) и отсутствия контакта торцевых поверхностей волокон, противоположных торцевым поверхностям волокон, образующих рабочую поверхность катода, с корпусом прибора. Углеродные волокна, уложенные на держателе катода (подложке) и закрепленные указанным выше способом, имеют контакт через боковую поверхность волокон, т.е. в направлении перпендикулярном оси волокон, в котором из-за анизотропии материала его электропроводность имеет минимальное значение. Наилучшими физическими свойствами углеродные волокна обладают по направлению своей оси.
Задачей данной полезной модели является создание импульсной рентгеновской трубки с большим сроком службы и улучшенными рентгенооптическими характеристиками.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной импульсной рентгеновской трубке, содержащей металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и катодом из материала с нанокласторной структурой поверхности, например, из полиакрилонитрильных углеродных волокон, расположенных радиально относительно оси прибора и закрепленных держателем катода, имеющем гальванический контакт с корпусом, при этом торцы углеродных волокон, обращенные в сторону оси прибора, образуют границу центрального отверстия катода, острийный анод, направленный в сторону окна перпендикулярно плоскости расположения катода, первый защитный экран, образованный полым цилиндром, соединенный одним основанием с корпусом, а другим с большим основанием полого усеченного конуса, меньшее основание которого с отверстием в центре обращено в сторону меньшего основания изолятора, вывод острийного анода, проходящий через отверстие в первом защитном экране в полость изолятора и соединенный с его меньшим основанием, второй защитный экран, например, в виде цилиндра соосный острийному аноду и расположенный с ним в объеме, ограниченном первым защитным экраном и корпусом, в держателе катода, имеющем форму плоского кольца, выполнены радиально проходящие отверстия, в которых размещены углеродные волокна, собранные в жгут, пропитанный пироуглеродом, покрытый металлом, например, медью и запаянный припоем, например, ПСр-72 В, а на внешней боковой поверхности держателя катода по его периметру выполнен паз, соединяющий радиальные отверстия, в котором расположена, соединенная с держателем катода, например, точечной сваркой тонкая металлическая лента, фиксирующая расположение углеродных волокон и обеспечивающая электрический контакт их торцов, обращенных в сторону корпуса, с держателем катода.
Предлагаемая модель импульсной рентгеновской трубки с выбранной конструкцией катодного узла и материалом катода в виде полиакрилонитрильных углеродных волокон, собранных в жгут, пропитанный пироуглеродом, позволяет получить высокую долговечность и большую мощность излучения мягкого диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображений при работе с объектами разной оптической плотности.
Использование в предлагаемой модели импульсной рентгеновской трубки нескольких катодов позволяет значительно увеличить мощность рентгеновского излучения за счет увеличения суммарной рабочей поверхности всех катодов и долговечность в заданном эксплуатационном режиме.
Для формирования катода в данной трубке используются углеродные волокна в виде жгута, пропитанного пироуглеродом, что придает жесткость материалу и возможность его металлизации, необходимой для надежного соединения с держателем катода путем пайки, например, припоем ПСр-72В. Пайка углеродных волокон в виде жгута с держателем катода обеспечивает жесткую конструкцию катодного узла, что значительно повышает надежность работы рентгеновской трубки и увеличивает ее долговечность. Углеродные волокна обладают анизотропией, т.е. их физические свойства зависят от направления и обладают наилучшими свойствами вдоль своей оси, поэтому для обеспечения минимального сопротивления в цепи протекания тока трубки и получения оптимальных рентгенотехнических характеристик необходимо обеспечить хороший электрический контакт торцевых поверхностей углеродных волокон, противоположных торцам волокон, образующих рабочую поверхность катода, с корпусом держателя катода. Для этого в держателе катода в виде плоского кольца с радиальными отверстиями для укладки и крепления углеродных волокон, на внешней боковой поверхности выполнено углубление, расположенное симметрично относительно плоскости, проходящей через оси радиальных отверстий, в которое уложена металлическая полоска по всему периметру с обеспечением электрического контакта с ним.
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 1, а другое основание корпуса 1 соединено с окном 3 в виде цилиндра, имеющем дно из бериллия для вывода мягкого рентгеновского излучения и через держатель 4 с катодом 5 из углеродных волокон, собранных в жгут, предварительно пропитанных пироуглеродом, металлизированных, например, медью и запаянных припоем, например, ПСр-72В в радиальных отверстиях держателя катода 4 в плоскости перпендикулярной оси острийного анода 6 из тантала, при этом внутренние торцы углеродных волокон образуют отверстие в катоде, через центр которого в сторону окна 3 направлен анод 6, первый защитный экран 7, 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, причем первый защитный экран 7 и корпус 1 ограничивают объем, в котором расположены острийный анод 6 и второй защитный экран 8 в виде цилиндра, соосный острийному аноду 6, вывод анода 9, проходящий через отверстие в первом защитном экране 7 в полость изолятора 2 и соединенный с его меньшем основанием, штенгель 10 для откачки рентгеновской трубки, причем для фиксации углеродных волокон 5 во время пайки и обеспечения электрического контакта с корпусом прибора 1 в держателе катода 4 на его внешней боковой стороне выполнен паз, в который уложена тонкая металлическая лента 11, обеспечивающая контакт с торцами углеродных волокон 5 и держателем катода 4, например, точечной сваркой.
При подаче импульса высоковольтного напряжения на анод 6 (катод 5 заземлен) в межэлектродном пространстве создается высокая напряженность электрического поля, вызывающая взрывную эмиссию электронов с микроострий катода 5, рабочей поверхностью которого являются торцевые поверхности углеродных волокон, ограничивающие отверстие в катоде, с образованием потока электронов, двигающихся к аноду 6. В результате соударения электронов с анодом 6 и их торможения происходит генерация мягкого рентгеновского излучения.
Жесткая конструкция катодного узла за счет пайки углеродных волокон, пропитанных пироуглеродом и покрытых, например, медью, значительно увеличивает надежность работы импульсной рентгеновской трубки и долговечность, а использование нанокласторного материала в качестве материала катода позволяет получить мощный поток мягкого рентгеновского излучения так необходимого для получения качественного изображения при работе с объектами разной оптической плотности. Обеспечение электрического контакта торцевых поверхностей углеродных волокон, противоположных торцам волокон, образующих рабочую поверхность катода, с корпусом держателя катода и, соответственно, с корпусом трубки за счет того, что на внешней боковой поверхности держателя катода по его периметру выполнено углубление, расположенное симметрично относительно плоскости, проходящей через оси радиальных отверстий держателя катода, и уложена тонкая металлическая полоска, обеспечивающая контакт и соединенная с держателем катода, например, точечной сваркой, позволит улучшить рентгенотехнические характеристики за счет обеспечения минимального сопротивления в цепи протекания тока трубки по причине анизотропии материала катода.
6
5
На основании заявленной полезной модели создан макетный образец импульсной рентгеновской трубки. Испытания рентгеновской трубки проводились в лаборатории Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций с использованием медицинского цифрового импульсного рентгеновского комплекса «Radix», разработанного ООО «Позитивная энергия» г. Санкт-Петербург. На потенциальный электрод рентгеновской трубки подавался импульс напряжения от генератора наносекундных импульсов с регулируемой длительностью 10-80 нс и амплитудой 50-120 кВ. В заданных диапазонах изменения амплитуды и длительности импульсов наблюдалось мощное рентгеновское излучение, фиксируемое по свечению люминесцентного экрана и замеренное дозиметром ДК-02. Интенсивность рентгеновского излучения у окна трубки за импульс при изменении амплитуды импульса напряжения на аноде трубки от 50 до 120 кВ лежала в пределах 7,5÷23,0 мР и практически не изменилась в течение всей наработки - 3·10 импульсов, что значительно превышает наработку прототипа в равных энергетических режимах - 10 импульсов.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с мягким рентгеновским излучением и большой долговечностью и обеспечить высокий контраст изображений при работе с объектами разной оптической плотности. Данная конструкция трубки найдет широкое применение в рентгеновских аппаратах для медицинской диагностики.