ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА
PULSED X-RAY TUBE

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при разработке импульсных рентгеновских трубок для использования в малогабаритных рентгеновских аппаратах, в частности для медицинской диагностики и лечения заболеваний, а также в других областях техники.
Известна острофокусная импульсная рентгеновская трубка, состоящая из герметичного корпуса, выполненного из изолирующего материала, с окном для вывода рентгеновского излучения, катода, включающего шайбу из термостойкого диэлектрика, на которой расположена гребенка, образованная металлической шайбой, имеющей радиальные прорези, расходящиеся от центра, с внутренним диаметром, большим, чем внутренний диаметр диэлектрической шайбы, анода, предназначенного для торможения электронного пучка и генерации рентгеновского излучения, выполненного в виде стержня, заканчивающегося конической поверхностью, вершина которой имеет форму полусферы и проходит по оси отверстия диэлектрической шайбы так, чтобы торец анода выступал за плоскость диэлектрической шайбы, на которой установлена гребенка, на расстояние, равное величине радиуса полусферы токоввода для подачи высокого импульсного напряжения [патент РФ №2174726, H01J 35/00, H05G 1/02, 2001 г.].
Такая конструкция обеспечивает пространственную равномерность рентгеновского излучения, стабильного от импульса к импульсу за счет множества источников электронов, равномерно расположенных по окружности в местах касания металлических концов гребенки с диэлектрической шайбой, где при подаче импульсного напряжения возникает высокая напряженность электрического поля, что вызывает разряд в микрозазорах между металлом и диэлектриком. К достоинству рентгеновской трубки следует отнести малый размер фокусного пятна 1,2 мм, что в 2-2,5 раз меньше, чем у рентгеновских трубок ИМА-2 и ИМА-5, используемых в большинстве импульсных рентгеновских аппаратах. Малый размер фокусного пятна позволяет осуществлять контроль объектов с повышенной разрешающей способностью за счет меньшей геометрической нерезкости.
Основным недостатком данной конструкции рентгеновской трубки является ее небольшой срок службы при работе в импульсных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии металлоконструкций, что связано с отсутствием в данной рентгеновской трубке хорошего теплоотвода, так как она выполнена в металлостеклянном исполнении и все металлические детали за исключением анода и катода изготовлены из прецизионного сплава (29НК), имеющего одинаковый со стеклом коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) с очень низкой теплопроводностью.
Отсутствие в этой рентгеновской трубке хорошего теплоотвода значительно ограничивает срок службы при работе в жестких энергетических режимах. Внутренняя поверхность изолятора конструктивно не защищена от попадания продуктов эрозии материала электродов, что ограничивает электрическую прочность и, соответственно, долговечность.
Известна также импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и катодом, через отверстие, в центре которого в направлении окна проходит острийный анод, первый защитный экран в виде цилиндрического стакана с отверстием в центре дна, соединенный с корпусом и ограничивающий объем, в котором соосно расположены острийный анод и второй защитный экран в виде диска, вывод анода, проходящий через отверстие в дне первого экрана в полость изолятора и соединенный с его меньшим основанием [Л.Я. Морговский, Е.А. Пеликс. Импульсная рентгенография. Аппараты серии «Арина», ООО «Спектрофлэш», Санкт- Петербург, 1999 г.].
Преимуществами данной рентгеновской трубки являются ее простота, низкая себестоимость и малый вес. В данной конструкции цилиндрический экран и защитный экран в виде диска, расположенный на выводе анода, защищают внутреннюю поверхность изолятора от напыления продуктами эрозии материала электродов. Однако для обеспечения электропрочности рентгеновской трубки цилиндрический экран не может быть глубоко внедрен в объем изолятора, поэтому его экранирующие действия неэффективны. К тому же он выполнен из ковара (29НК), обладающего низкой теплопроводностью, и не имеет контакта с внешней средой, так как находится внутри вакуумной оболочки. В процессе работы рентгеновской трубки цилиндрический экран сильно разогревается из-за плохого теплоотвода во внешнюю среду, поэтому продукты эрозии материалов электродов плохо осаждаются на внутренней поверхности цилиндрического экрана, запыляя при этом нижнюю часть изолятора ближе к месту соединения изолятора с выводом анода, что значительно снижает электрическую прочность рентгеновской трубки, ограничивая ее долговечность. Наличие защитного экрана в виде диска, размещенного на выводе анода около его острия, не может обеспечить достаточную экранировку внутренней поверхности изолятора от продуктов напыления.
К недостаткам следует отнести большой размер фокусного пятна (2,5-3,0 мм), определяемый сечением анода в плоскости расположения катода.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению 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, в центре которого в направлении окна проходит острийный анод в виде конуса со скругленной вершиной, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора и соединенный с его меньшим основанием [патент РФ №2446508, H01J 35/00, 2012 г.- прототип].
В данной конструкции импульсной рентгеновской трубки выполнение ее внутренних элементов с заданной конфигурацией и с заданными геометрическими размерами предотвращает прямое воздействие продуктов эрозии материала электродов на внутреннюю поверхность изолятора, что снижает осаждение продуктов эрозии, обеспечивая, таким образом, большую долговечность. Диаметр фокусного пятна такой трубки определяется диаметром сечения конусной части анода в плоскости расположения катода и лежит в пределах 1,5-2.5 мм.
Задачей данного изобретения является создание острофокусной импульсной рентгеновской трубки с диаметром фокусного пятна менее 1 мм.
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 с осесимметричным отверстием относительно анода, выполненного в виде цилиндрического стержня, переходящего в конус и направленного в сторону окна, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора и соединенный с его меньшим основанием, вершина конусной части анода выполнена с заострением под углом не более 60° и размещена ниже плоскости расположения катода на расстоянии не более 2 мм.
Импульсная рентгеновская трубка предлагаемой конструкции позволяет получить максимальную напряженность электрического поля в пространстве между острием анода и внутренней кромкой отверстия в катоде, при этом электроны, эмитирующие с кромки отверстия катода, в большинстве своем достигают анода в окрестности вершины заострения, что обеспечивает получение малого диаметра фокусного пятна, определяемого геометрическими размерами острийного анода.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Сравнение с прототипом позволило выявить совокупность существенных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение отвечает требованию "новизна" по действующему законодательству.
Для проверки изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, позволяющие получить малый диаметр фокусного пятна импульсной рентгеновской трубки, за счет выполнения вершины конусной части анода с заострением с углом не более 60° и расположения ее ниже плоскости расположения катода на расстоянии не более 2 мм.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» 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, другое основание корпуса 1 соединено с окном 3, выполненным в виде цилиндра с дном из бериллия для выхода мягкого рентгеновского излучения и через держатель 4 с вольфрамовым катодом 5, имеющим осесимметричное отверстие относительно анода 6 из тантала, закрепленным на держателе 4 тонким металлическим кольцевым диском 7 посредством точечной сварки, два защитных экрана 8 и 9, закрывающие внутреннюю поверхность изолятора 2 от напыления продуктами эрозии материалов электродов, вывод анода 10, проходящий по оси прибора и соединенный с меньшим основанием изолятора 2, штенгель 11 для откачки рентгеновской трубки, при этом заостренная вершина конусной части анода с углом не более 60° находится ниже плоскости расположения катода на расстоянии не более 2 мм.
При подаче импульса высокого напряжения на анод 6 (катод 5 заземлен) в межэлектродном пространстве создается высокая напряженность электрического поля с максимальным значением в непосредственной близости от вершины конусной части анода и внутренней кромки отверстия в катоде 5, вызывающая взрывную эмиссию электронов с микроострий катода 5 с образованием потока электронов, двигающихся к аноду 6. В результате соударения электронов с анодом 6 и их торможения происходит генерация мягкого рентгеновского излучения. Диаметр фокусного пятна в этой конструкции рентгеновской трубки определяется максимальным диаметром заостренной части анода, так как большинство электронов соударяются с анодом в непосредственной близости от вершины конусной части анода, что вызвано конфигурацией электрического поля. Соответствующий выбор геометрических форм и размеров конусной части анода позволяет получить диаметр фокусного пятна менее 1 мм.
Если а>60°, то в трубке будет работать кольцевая поверхность части анода в окрестности наибольшего диаметра заостренной конусной части. В данном случае фокус будет иметь форму кольца.
Устанавливать расстояние между вершиной конусной части анода и плоскостью расположения катода более 2 мм нецелесообразно, так как в этом случае увеличивается импеданс трубки, что приводит к ограничению электронного тока и в результате к уменьшению экспозиционной дозы рентгеновского излучения. При этом наблюдается большая нестабильность дозы рентгеновского излучения от импульса к импульсу.
На основании заявленного изобретения были изготовлены макетные образцы импульсной рентгеновской трубки с использованием базовой конструкции ИРТП-150Д, выпускаемой ОАО "Плазма" г.Рязань, с углами заострения анода: α=30°, α=60°, α=65°, α=80°, а также с различными расстояниями между вершиной конусной части анода и плоскостью расположения катода: h=1 мм, h=2 мм, h=2,5 мм. Максимальный диаметр заостренной конусной части анода во всех макетных образцах составлял 0.8 мм. Диаметр отверстия в катоде не влияет на размер фокусного пятна, а влияет на импеданс трубки, определяющий при заданном напряжении высоковольтного импульса на аноде величину дозы излучения. В макетном образце трубки диаметр отверстия в катоде равен 6 мм. Амплитуда импульса напряжения на аноде - 150 кВ.
Сравнительные измерения диаметра фокусного пятна макетных образцов импульсных рентгеновских трубок с различными углами заострения анода приведены в таблице 1.
Таблица 1
Угол заострения анода, α°
Диаметр фокусного пятна, мм
30
0,6
60
0,8
65
1,0
80
1,1
При α=30° работает часть боковой поверхности заостренного конуса анода вблизи его вершины, т.е. фокус имеет форму круглого пятна, а при α=60° работает вся боковая поверхность заостренного конуса и фокус имеет тоже форму круглого пятна. В третьем случае, когда α=65°, работает кольцевая поверхность части анода в окрестности наибольшего диаметра заостренной конусной части и фокус имеет форму кольца.
Испытания макетных образцов трубок с различными расстояниями между вершиной конусной части анода и плоскостью расположения катода подтвердили нецелесообразность увеличения расстояния более 2 мм, т.к. увеличивается импеданс трубки, что ограничивает электронный ток и тем самым уменьшает экспозиционную дозу рентгеновского излучения. При этом наблюдается большая нестабильность дозы рентгеновского излучения от импульса к импульсу.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с малым размером фокусного пятна (менее 1 мм), обеспечивающую высокий контраст изображений при работе с объектами разной оптической плотности.