КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ПРИБОРА

Предлагаемое решение относится к электровакуумным приборам, работающим при высоких напряжениях, в частности к рентгеновским трубкам.
В качестве источника электронов в электровакуумных приборах, работающих при высоких напряжениях, например, в рентгеновских трубках, используются накальные и холодные катоды.
Известен катодный узел рентгеновской трубки, описанный в патентном документе LV 14047 (В), «X-RAY TUBE OF CONTINUOUS OPERATION» 20.01.2010 г., заявитель R & P SIA [LV], с катодом на основе встроенного фотоэлектронного преобразователя и внешнего источника фотонов для возбуждения токов фото и вторичных электронов в вакуумном объеме РТ, который относится к «холодным» катодам.
Такой катодный узел представляет собой фотоэлектронный преобразователь (ФЭП) с фотокатодом в качестве источника электронов и динодной системой умножения, с выводами для подачи напряжения на электроды. В качестве ФЭП предлагается использовать ФЭП умножительного типа. Работа фотоэлектронного преобразователя состоит в следующем: на электроды ФЭП подается напряжение, которое распределяется таким образом, чтобы электроны с фотокатода направлялись на диноды умножителя, а затем на анод. Свет, попадая на фотокатод, вызывает поток электронов. Электроны умножаются на динодах и под действием сильного электрического поля бомбардируют анод, вызывая рентгеновское излучение.
Однако известное решение не позволяет применить ФЭП умножительного типа в традиционной конструкции в качестве источника электронов для приборов, требующих для своей работы десятки и сотни киловольт, таких, какие требуются для получения, например, рентгеновского излучения из-за разрядных явлений на выводах, расположенных в поле высокого напряжения. Кроме того, такой катодный узел не позволяет эффективно сфокусировать поток фотоэлектронов с фотокатода на динодную систему умножения, а затем сформировать поток вторичных электронов на анод, и поэтому не обеспечивает высокий коэффициент усиления и выходной ток достаточной величины на анод рентгеновской трубки.
Наиболее близким к заявляемому, взятым в качестве прототипа, является катодный узел электровакуумного прибора, по 2012122994/07 (035007) решение о выдаче патента 01.08.2012 г., заявитель ОАО «ЦНИИ «Электрон», в котором фотоэлектронный преобразователь дополнительно имеет фотокатодную камеру с входным оптическим окном, на внутренней поверхности которого расположен фотокатод, а выводы для подачи напряжения от внешнего источника на электроды фотоэлектронного преобразователя расположены вокруг фотокатодной камеры, причем диаметр фотокатодной камеры меньше диаметра динодной системы умножения вторичных электронов. Под воздействием света фотокатод эмитирует поток электронов, который формируется электрическим полем фокусирующего и ускоряющего электродов и попадает на динодную систему. Затем происходит покаскадное умножение электронов, после 12-го динода усиленный поток электронов попадает под действие поля системы фокусирующих электродов и ускоряется полем анода.
К недостаткам известного решения следует отнести тот факт, что рентгеновская трубка не может быть полностью закрыта, поскольку даже при полном отсутствии света, из фотокатода вылетает некоторое количество электронов, которое образует некий минимальный поток рентгеновского излучения. Наличие утечек излучения негативно влияет на безопасность использования такой конструкции.
Заявленное решение направлено на создание конструкции катодного узла электровакуумного прибора, например такого, как рентгеновская трубка, обеспечивающей возможность полного запирания электронного потока.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известном катодном узле электровакуумного прибора, содержащем герметичный корпус, анод и фотоэлектронный преобразователь с фотокатодом и динодной системой умножения вторичных электронов, фотоэлектронный преобразователь дополнительно снабжен системой сеточных управляемых динодов, расположенной между фотокатодом и динодной системой умножения и состоящей, по меньшей мере, из одного сеточного управляемого динода. Кроме того, система сеточных управляемых динодов снабжена выводами за пределы герметичного корпуса, для подключения управляющего напряжения, причем первый сеточный управляемый динод расположен в непосредственной близости от фотокатода, а каждый последующий сеточный управляемый динод имеет большие размеры ячейки.
Технический результат заявленного решения заключается в том, что благодаря введению в конструкцию катодного узла нового элемента - системы сеточных управляемых динодов, появляется возможность управления процессом формирования рентгеновского излучения, в частности, подача на систему сеточных управляемых динодов нулевого или отрицательного потенциала, который не позволяет электронам от фотокатода попасть на динодную систему умножения вторичных электронов, приводит к прекращению формирования рентгеновского излучения, т.е. позволяет полностью закрыть трубку, исключить нерегулируемую утечки электронов, что в свою очередь приводит к повышению безопасности использования таких приборов. С другой стороны, в процессе работы катодного узла, система сеточных управляемых динодов является источником вторичных электронов, становясь частью динодной системы умножения вторичных электронов, т.е. увеличивается поток электронов, что приводит к усилению основного сигнала. Использование заявленного решения в системах передачи информации с использованием рентгеновского излучения позволяет достичь 100% модуляции передаваемого сигнала.
На фиг.1 схематически представлен чертеж рентгеновской трубки с заявляемым катодным узлом.
Рентгеновская трубка состоит из катодного узла, содержащего фотоэлектронный преобразователь 1, герметичный корпус 2 и анод 3.
Фотоэлектронный преобразователь состоит из фотокатодной камеры 6, которая представляет собой стеклянный цилиндр, на торце которого через коваровое кольцо 5 герметично вварено входное окно 4 из оптического стекла. С внутренней стороны входного окна 4 нанесен полупроводниковый, полупрозрачный фотокатод 7. Внутри цилиндра расположена динодная система 8, которая служит усилению потока фотоэлектронов и система электродов 9, формирующих выходной электронный поток, позволяющая получить необходимый регулируемый фокус на аноде трубки.
Внутри цилиндра расположены также фокусирующий и ускоряющий электроды, два испарителя сурьмы, расположенные определенным образом, источники калия и цезия (на чертеже не показаны).
Внутри цилиндра между фотокатодом 7 и динодной системой 8 установлена система сеточных управляемых динодов 11, содержащая по меньшей мере один сеточный управляемый динод, снабженный выводом (не показано) за пределы фотокатодной камеры 6, для подключения управляющего напряжения.
Фотокатодная камера 6 представляет собой стеклянный цилиндр, вваренный в стеклянный диск большего диаметра. Вокруг цилиндра в стеклянный диск вварены 20 коваровых выводов 10, которые служат для соединения электродов, расположенных внутри герметичного объема, с источниками питания снаружи (выводы показаны только с наружной стороны).
В качестве динодной системы 8, которая служит усилению потока фотоэлектронов, может быть использована, например, жалюзийная система из 12 динодов на основе бронзы Cu-Al-Mg.
Работа катодного узла, включающего ФЭП, заключается в следующем:
Подают напряжение питания на электроды: фотокатод 7, фокусирующий и ускоряющий электроды (не показаны), динодную систему 8, выходные формирующие электроды 9. Общее напряжение питания фотоумножительной части катодного узла составляет порядка 3-100 кВ. Другой источник питания подает высокое (10-50 кВ) напряжение между выходными электродами и анодом 3.
Под воздействием света фотокатод 7, эмитирует поток электронов, который формируется электрическим полем фокусирующего и ускоряющего электродов и попадает на первый динод динодной жалюзийной умножительной системы 8. Затем происходит покаскадное умножение электронов, после 12-го динода получаем усиленный поток электронов, который попадает под действие поля системы фокусирующих электродов 9 и ускоряется полем анода 3.
Введение в конструкцию катодного узла нового элемента - системы сеточных управляемых динодов 11, позволяет управлять процессом формирования рентгеновского излучения. При обычной работе катодного узла система сеточных управляемых динодов 11 является источником вторичных электронов, т.е. становится частью динодной системы 8, что приводит увеличению потока электронов и усилению основного сигнала.
При необходимости выключения рентгеновской трубки, на систему сеточных управляемых динодов 11 подается нулевой или отрицательный потенциал, который не позволяет электронам от фотокатода 7 попасть на основную динодную систему 8.
Управлять системой сеточных управляемых динодов 11 можно очень малым напряжением, т.к. она расположена в непосредственной близости к фотокатоду 7.
Система сеточных управляемых динодов 11, содержащая два сеточных управляемых динода может полностью выключить рентгеновскую трубку.
Использование данного решения в системах передачи информации с использованием рентгеновского излучения позволяет достичь 100% модуляции передаваемого сигнала.
Рентгеновская трубка с предложенным катодным узлом может обеспечить работу в импульсном и непрерывном режимах, стабильность выходного сигнала в непрерывном режиме за счет обратной связи по управлению источником света, долговечность, быстродействие, малую мощность потребления, что делает данный прибор многофункциональным.