Источник рентгеновского излучения
X-RAY RADIATION SOURCE

Изобретение относится к рентгеновским трубкам с вращающимся анодом на гидродинамической опоре и может быть использовано для рентгеновских аппаратов широкого профиля с излучением большой мощности.
Известна рентгеновская трубка, содержащая вакуумную колбу и размещенные внутри нее катод и анод. Эмиттер катода и анод выполнены из тугоплавкого материала. Вращающийся анод соединен с вакуумной колбой посредством шарикоподшипниковой опоры (Патент RU 2377686, 29.04.2008, МКИ H01J 35/04).
Недостатком известного устройства является ограничение мощности, обусловленной ограниченной теплоемкостью вращающегося дискового анода. Практически отсутствует возможность отвода тепла наружу вакуумной колбы через подшипниковую опору ввиду низкой эффективности передачи тепла через шарикоподшипниковые опоры. Кроме этого наличие шарикоподшипниковых опор вносит радиальные и осевые биения вращающегося ротора, что нарушает геометрическую стабильность фокусной дорожки, что при микронных размерах фокуса снижает технические характеристики рентгеновской трубки.
Известна рентгеновская трубка, содержащая вращающийся анод, выполненный в виде перевернутой чаши, которая частично погружена в ванну с легкоплавким металлом и опирается на подшипник, установленный на опоре, охлаждаемой хладагентом (Авторское свидетельство СССР №531218, кл. H 01J 35/10, 1974).
Конструктивная схема известного технического решения предполагает наличие стационарной системы откачки рентгеновской трубки, поскольку наличие тефлоновых уплотнителей в вакуумной емкости исключают технологическую операцию высокотемпературного обезгаживания рентгеновской трубки для достижения в ней высокого вакуума перед операцией заполнения трубки жидким металлом теплоносителя. Кроме этого, уплотнительные кольца на вращающемся аноде не обеспечивают полной герметизации внутренней полости анода и вакуумной полости с катодами, что приводит к проникновению частиц жидкого металла в вакуумную емкость, осаждение частиц металла на высоковольтных изоляторах рентгеновской трубки, снижению электроизоляционных характеристик изоляторов и последующему высоковольтному пробою и выходу трубки из строя. Наличие стационарной системы откачки усложняет и удорожает рентгеновскую систему. Использование неполного заполнения объема анода жидким металлом, наличие лопастей и центральной подшипниковой опоры приводят к возникновению радиальных и осевых биений при вращении анода, что, в свою очередь, приводит к расфокусировке рентгеновской трубки и снижению ее технических характеристик. Кроме того, конструктивная схема охлаждения анода данной рентгеновской трубки исключает возможность любого ее пространственного позиционирования при применении, что также снижает эксплуатационные характеристики рентгеновской трубки.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому изобретению является источник рентгеновского излучения, содержащий герметичную вакуумную камеру с выходным окном для выхода пучка рентгеновского излучения, катодный узел, вращающийся полый анодный узел с ротором в форме диска, на периферийной части которого размещена жидкометаллическая мишень и размещенного внутри анодного узла неподвижного жидкостного теплообменника, жидкометаллической смазки из галлия или его сплавов, размещенной в полости между внутренней поверхностью ротора анода и внешней поверхностью неподвижного теплообменника и уплотнительного устройства между ними (Патент RU 2709183, 26.04.2019, МПК H01J 35/00).
Одним из недостатков известного устройства, принятого за прототип, является наличие жидкометаллической мишени, формируемой центробежной силой при вращении анода. Поскольку одной из целей изобретения является повышение мощности источника рентгеновского излучения, то это предполагает уменьшение размера фокусного пятна, повышение плотности электронов в электронном луче и повышение ускоряющего напряжения. При размере фокусного пятна менее 50 мкм, в фокусной дорожке будет происходить перегрев жидкого металла анода, его интенсивное испарение и выброс микрокапель (кластеров) в полость вакуумной камеры. Также проявится эффект гидродинамического удара высокоэнергетичного электронного луча о поверхность нагретого жидкого зеркала мишени с образованием каверны, что при высоких оборотах анода приведет к формированию фокусной канавки на поверхности мишени. Это приведет к изменению оптической системы «электронный луч - мишень» и, следовательно, к искажению потока рентгеновского излучения. Охлаждение в вакуумном пространстве испарившихся частиц жидкометаллической мишени анода ведет к их осаждению не только на защитную УНТ-мембрану, но и на поверхность высоковольтного изолятора рентгеновского источника, что влечет снижение электроизоляционных характеристик изолятора, его последующий высоковольтный пробой и выход источника рентгеновского излучения из строя. Частицы осажденного на анод металла жидкометаллической мишени могут вызвать загрязнение спектра рентгеновского излучения рентгеновской трубки линиями посторонних элементов. Выделяющиеся металлические пары ионизируются как электронным лучом, так и электрическим полем ускоряющего напряжения, что приводит к образованию объемного заряда в зоне катода и высоковольтному пробою межэлектродного пространства между катодом и анодом или пространства между катодом и высоковольтным изолятором. Кроме этого, устройству присуща высокая инертность в работе, поскольку для ее выключения требуется постепенное охлаждение жидкометаллической мишени до ее перехода в твердое состояние при сохранении высоких оборотов анода. Помимо этого, уплотнение для удерживания жидкометаллической смазки в зазоре между внутренней поверхностью анода и внешней поверхностью радиатора выполненное в виде кольцевых канавок лабиринтного уплотнения работает не эффективно, поскольку в работе лабиринтного уплотнения заложено явление дросселирования, т.е. уменьшение расхода газа за счет потери кинетической энергии потока при внезапном расширении газа. Поскольку металл смазки является жидкостью и не расширяется, лабиринтное уплотнение не работает. Это приводит к попаданию жидкого металла смазки в вакуумную полость и, вместе с парами и частицами жидкой мишени, к ухудшению вакуума и осаждению на поверхность высоковольтного изолятора. Это негативное явление исключает конструкцию отпаечного варианта источника рентгеновского излучения и, для уменьшения негативного влияния загрязнения вакуума металлическими парами вынуждает применять стационарную высоковакуумную откачную систему, что усложняет и удорожает источник рентгеновского излучения и исключает его использование в нестационарных условиях. Вытекание жидкометаллической смазки приводит к ухудшению условий теплопередачи от анода к жидкому теплоносителю теплообменника, заклиниванию вращающегося анода и выходу рентгеновского источника из строя. Также в известном изобретении имеется негативный момент, заключающийся в том, что жидкометаллическую мишень формируют в виде слоя расплавленного металла, относящегося к группе Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi и их сплавов, на обращенной к оси вращения поверхности кольцевого желоба вращающегося анодного узла. Галлий и его сплавы являются весьма агрессивными металлами, особенно в нагретом состоянии, взаимодействующими практически со всеми металлами. Это может привести к деформации или разрушению кольцевого желоба анода, а также попаданию продуктов химических реакций в вакуумный объем, что также приведет источник рентгеновского излучения к выходу из строя.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение времени непрерывной работы и мощности источника рентгеновского излучения за счет оптимизации его конструкции и термодинамических процессов охлаждения, увеличение рабочего ресурса и стабильности работы за счет повышения времени сохранения высокого вакуума и электроизоляционных характеристик высоковольтного изолятора, защиты внутренних поверхностей источника рентгеновского излучения от химического взаимодействия с активными жидкими металлами, повышения надежности и упрощения конструкции.
1. Источник рентгеновского излучения, содержащий герметичную вакуумную камеру с выходным окном для выхода пучка рентгеновского излучения, катодный узел, вращающийся полый анодный узел с ротором в форме диска, на периферийной части которого размещена мишень, и размещенный внутри анодного узла неподвижный жидкостный теплообменник, жидкометаллическую смазку из галлия или его сплавов размещенную в полости между внутренней поверхностью ротора анода и внешней поверхностью неподвижного теплообменника и уплотнительное устройство между ними, отличающийся тем, что мишень выполнена массивной из твердого металла в виде кольца соответствующей формы, вращающийся анод и теплообменник выполнены из материала, инертного к галлию или его сплавам, или внутренняя поверхность ротора анода и внешняя поверхность неподвижного теплообменника снабжены защитным пленочным покрытием, химически стойким к галлию или его сплавам.
2. Источник рентгеновского излучения по п. 1, отличающийся тем, что уплотнительное устройство состоит из двух коаксиальных колец, причем внутреннее кольцо размещено на внешней поверхности теплообменника, а внешнее на внутренней поверхности ротора анода, при этом кольца уплотнительного устройства выполнены либо из материалов, инертных к галлию или его сплавам и при этом не смачивающихся жидким металлом, либо из материалов, инертных к галлию или его сплавам, но покрытых пленкой, не смачивающейся жидким металлом.
3. Источник рентгеновского излучения по п.п. 1-2, отличающийся тем, что между кольцами уплотнительного устройства размещен кольцевой капиллярный канал, причем длина капиллярного канала выбрана из соотношения: H ≥ 4,4 , где
σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкого металла смазки;
θ - угол смачивания жидким металлом стенки капиллярного канала;
ρ - плотность жидкого металла;
g - ускорение свободного падения;
b - толщина кольцевого капиллярного канала.
На фиг. 1 схематически представлен общий вид источника рентгеновского излучения, на фиг. 2 представлено уплотнительное устройство.
2
3
2
3
2
3
Источник рентгеновского излучения содержит герметичную вакуумную камеру 1, выходное окно 2 пропускающее рентгеновское излучение 3, катодный узел 4 генерирующий поток электронов 5, вращающийся анодный узел 6 состоящий из ротора 7, мишени 8, вала электродвигателя 9 и внутреннего уплотнительного кольца 10. Внутреннее уплотнительное кольцо 10 выполнено из материалов инертных к галлию или его сплавам и, при этом, не смачивающихся жидким металлом, например из графита, либо из материалов инертных к галлию или его сплавам, но покрытых пленкой не смачивающейся жидким металлом, например кварцевого стекла покрытого оксидом галлия (GaO). Внутри вращающегося анодного узла размещается неподвижный жидкостный теплообменник 11 с входным каналом 12 и выходным каналом 13 для подачи жидкого теплоносителя 14 и внешнее уплотнительное кольцо 15. Ротор 7 и теплообменник 11 выполнены из материала, инертного к галлию или его сплавам, например из вольфрама, или внутренняя поверхность ротора 7 и внешняя поверхность неподвижного теплообменника 11 снабжены защитным пленочным покрытием, химически стойким к галлию или его сплавам, например вольфрамовым. Внешнее уплотнительное кольцо 15 выполнено из материалов инертных к галлию или его сплавам и, при этом, не смачивающихся жидким металлом, например из графита, либо из материалов инертных к галлию или его сплавам, но покрытых пленкой не смачивающейся жидким металлом, например кварцевого стекла покрытого оксидом галлия (GaO). Направление движения жидкого теплоносителя показано стрелками на Фиг. 1. Снаружи вакуумной камеры 1 размещен статор 16. Между внутренней поверхностью ротора 7 и внешней поверхностью неподвижного теплообменника 11 размещена жидкометаллическая смазка 17. Внутренняя поверхность ротора 7 и внешняя поверхность неподвижного теплообменника 11, контактирующие с жидкометаллической смазкой 17 снабжены защитными слоями 18 и 19, например из вольфрама (см. фиг. 2). Между внешним уплотнительным кольцом 15 и внутренним уплотнительным кольцом 10 размещен кольцевой капиллярный канал длиной H и высотой b, причем кольца снабжены несмачивающими слоями 20 и 21, например из оксида галлия (GaO).
-6
-6
2
3
Пример. Разработан мощный источник рентгеновского излучения отпаечного типа, в котором ротор 7 и теплообменник 11 изготовлены из бескислородной меди. Анод 8 изготовлен из вольфрама. В качестве жидкого теплоносителя 14 для охлаждения теплообменника 11 используется проточная вода. Для жидкометаллической смазки выбран сплав галинстан, состоящий из 68,5% галлия (Ga), 21,5% индия (In) и 10% олова (Sn). Температура плавления сплава составляет - 19°С, температура кипения более 1300°С, что значительно превышает температуру плавления меди и позволяет поднять тепловую мощность источника рентгеновского излучения. Таким образом, при нормальных условиях эксплуатации источника рентгеновского излучения сплав находится в жидком состоянии. Жидкометаллическая смазка в предлагаемом устройстве используется не только в качестве рабочего тела подшипника жидкостного трения при вращении анода, но и как промежуточный теплоноситель для передачи избыточного тепла от горячего анода 8 к циркулирующей воде 14 теплообменника 11. Внутренняя поверхность медного ротора 7 и внешняя поверхность медного неподвижного теплообменника 11, контактирующие с жидкометаллической смазкой 17 снабжены защитными слоями 18 и 19, выполненными из вольфрама и имеют толщину 5 ÷ 8 мкм, что в рабочем диапазоне температур исключает негативное воздействие высокой химической активности галлия к меди. Поскольку галлий и его сплавы имеют чрезвычайно низкое давление насыщенных паров порядка 10Па, то это, соответственно, позволяет применять его в электровакуумных приборах с вакуумом не хуже 10Па. Внешнее уплотнительное кольцо 15 и внутреннее уплотнительное кольцо 10 изготовлены из кварцевого стекла и покрыты несмачивающими слоями 20 и 21 из оксида галлия (GaO) толщиной 1÷3 мкм. Это позволяет исключить просачивание жидкометаллической смазки в вакуумную полость источника рентгеновского излучения, загрязнение высоковольтного изолятора и внутренних поверхностей и заклинивание вращающегося с высокой скоростью анода.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет значительно повысить время непрерывной работы и мощность источника рентгеновского излучения за счет оптимизации его конструкции и термодинамических процессов охлаждения, увеличить рабочий ресурс и стабильности работы за счет повышения времени сохранения высокого вакуума и электроизоляционных характеристик высоковольтного изолятора, защиты внутренних поверхностей источника рентгеновского излучения от химического взаимодействия с активными жидкими металлами, повышения надежности и упрощения конструкции.
Предложенное устройство предназначено для ряда применений, включающих материаловедение, рентгеновскую техническую диагностику, биомедицинскую и медицинскую диагностику, микроскопию.