ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА
PULSED X-RAY TUBE

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при разработке импульсных рентгеновских трубок предпочтительно для использования в малогабаритных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии металлоконструкций, в частности для неразрушающего контроля качества сварных соединений при прокладке нефте- и газопроводов.
Известна острофокусная импульсная рентгеновская трубка, состоящая из катода, включающего шайбу из термостойкого диэлектрика, на которой расположена гребенка, образованная металлической шайбой, имеющей радиальные прорези, расходящиеся от центра, с внутренним диаметром больше, чем внутренний диаметр диэлектрической шайбы, анода, предназначенного для торможения электронного пучка и генерации рентгеновского излучения, выполненного в виде стержня, заканчивающегося конической поверхностью, вершина которого 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, герметичного корпуса, выполненного из изолирующего материала, с окном для вывода рентгеновского излучения [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 раза меньше, чем у рентгеновских трубок ИМА-2 и ИМА-5, используемых в большинстве импульсных рентгеновских аппаратов. 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 - цилиндрического стеклянного баллона 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 цилиндрического стакана, соединенного с корпусом, окно для вывода рентгеновского излучения, выполненное из металла, обладающего свойствами газопоглотителя, мишень, расположенную в корпусе на расстоянии от окна, и изолирующий элемент с катодом [Патент РФ №2384912, H01J 35/22, 2010 г.].
Увеличение долговечности с обеспечением высоких рентгенотехнических характеристик в данной конструкции рентгеновской трубки достигается за счет значительного улучшения теплоотвода с мишени, приводящего к снижению эрозии материала мишени, путем обеспечения плотного контакта мишени с корпусом, выполненным из металла с высокой теплопроводностью, а также за счет повышения эффективности газопоглощения в процессе работы. К недостаткам следует отнести плохую защищенность изолятора от напыления продуктов эрозии материалов электродов.
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, 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», OOO «Спектрофлэш», Санкт-Петербург, 1999 г. - прототип]
Преимуществом данной рентгеновской трубки является 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.
Задачей данного изобретения является создание импульсной рентгеновской трубки с высокой долговечностью в заданном эксплуатационном режиме.
1
2
3
1
2
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, 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 защитного экрана в полость изолятора и соединенный с его меньшим основанием, дно первого защитного экрана выполнено в виде полого усеченного конуса с меньшим основанием со стороны меньшего основания изолятора, при этом диаметры отверстия в катоде Д, второго защитного экрана Д, отверстия в дне первого защитного экрана Д, расстояние Sмежду верхней поверхностью второго защитного экрана и плоскостью расположения катода и расстояние S между верхней поверхностью второго защитного экрана и внешней поверхностью меньшего основания полого усеченного конуса первого защитного экрана связаны соотношением
2
1
1
3
2
2
(Д-Д)/S≥(Д-Д)/S.
Изготовление первого защитного экрана в виде цилиндрического стакана, в котором дно имеет форму полого усеченного конуса, позволяет выбирать геометрические размеры и месторасположение элементов конструкции рентгеновской трубки согласно заданному соотношению, при выполнении которого нет прямого воздействия паров материала электродов, образованных в результате вакуумного разряда, на внутреннюю поверхность изолятора, что снижает осаждение продуктов эрозии на эту поверхность, обеспечивая, таким образом, большую долговечность рентгеновской трубки.
При работе рентгеновской трубки в процессе вакуумного разряда продукты эрозии материала электродов в виде паров металлов под действием электродинамической силы разлетаются по обе стороны от канала разряда между точками кромки внутри отверстия катода и точками конусной поверхности анода. Основная часть продуктов эрозии материала электродов при соприкосновении паров металлов с внутренней поверхностью оболочки рентгеновской трубки со стороны окна для вывода рентгеновского излучения, первого защитного экрана и поверхностью второго защитного экрана, обращенной в сторону вакуумного разряда между катодом и острийным анодом, осаждается на них и практически не попадает на внутреннюю поверхность изолятора.
2
1
1
3
2
2
1
1
1
Равенство соотношения (Д-Д)/S=(Д-Д)/S выполняется при таком диаметре Д отверстия в катоде, когда точки кромки отверстия в катоде и в первом защитном экране и граничная точка второго защитного экрана лежат на одной прямой в осевой плоскости. В этом случае соотношение выводится из подобия прямоугольных треугольников, образованных прямой, проходящей через эти точки, перпендикулярами, опущенными из точки кромки отверстия в катоде, и из крайней точки второго защитного экрана по оси прибора к прямым, проходящим в плоскости второго защитного экрана и плоскости отверстия первого защитного экрана. Если Д будет меньше диаметра отверстия в катоде, при котором выполняется равенство заданного соотношения, продукты эрозии материала электродов не имеют возможности прямого попадания на внутреннюю поверхность изолятора, так как экранируются поверхностями первого и второго защитных экранов, при этом запыление поверхности изолятора незначительно и не влияет на электрическую прочность прибора. Если Д будет больше диаметра, при котором выполняется равенство заданного соотношения, защитные экраны не препятствую полному прямому попаданию продуктов эрозии на внутреннюю поверхность изолятора. При этом запыляется нижняя часть внутренней поверхности изолятора, снижая его электрическую прочность и уменьшая долговечность в заданном эксплуатационном режиме.
2
3
1
2
Величины Д, Д, S, S выбирают из условия обеспечения заданной электрической прочности.
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 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.
1
2
3
1
2
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, обеспечивающие высокую долговечность рентгеновской трубки, за счет выполнения в экране, защищающем изолятор рентгеновской трубки от запыления продуктами распыления материала электродов и имеющем форму цилиндрического стакана, дна в виде полого усеченного конуса и выбора размеров Д, Д, Д, S, S согласно заданному соотношению.
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.
1
3
2
1
2
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 полусферы для вывода рентгеновского излучения и через держатель 4 с вольфрамовым катодом 5, имеющим центральное отверстие диаметром Д, острийный анод 6 из тантала, расположенный по оси прибора и проходящий в направлении окна 3 через отверстие в катоде 5, первый защитный экран 7 в виде цилиндрического стакана, края которого соединены с верхним основанием корпуса 1, а дно выполнено в виде полого усеченного конуса с отверстием по центру диаметром Д, причем первый защитный экран 7 ограничивает объем, в котором расположены острийный анод 6 и второй защитный экран 8 в виде диска диаметром Д, расположенный под острием анода, вывод анода 9, проходящего через отверстие в первом защитном экране 7 в полость изолятора 2 и соединенный с его меньшим основанием, штенгель 10 для откачки рентгеновской трубки, при этом плоскость расположения катода 5 и внешняя поверхность меньшего основания полого усеченного конуса первого защитного экрана 7 удалены от верхней поверхностью второго защитного экрана 8 на расстояния S и Sсоответственно.
1
2
1
1
3
2
2
2
1
1
3
2
2
При подаче высоковольтного напряжения на анод 6 (катод 5 заземлен) в межэлектродном пространстве создается высокая напряженность электрического поля, вызывающая взрывную эмиссию электронов с микроострий катода 5 с образованием потока электронов, двигающихся к аноду 6. В результате соударений электронов с анодом 6 и их торможении происходит генерация рентгеновского излучения. В процессе работы рентгеновской трубки заявленной конструкции при вакуумном пробое между катодом 5 и анодом 6 пары материала электродов под действием электродинамической силы перемещаются по объему рентгеновской трубки, соударяясь и соприкасаясь с внутренней поверхностью оболочки рентгеновской трубки со стороны окна 3, с поверхностями защитных экранов 7 и 8, осаждаются, при этом практически не попадают на внутреннюю поверхность изолятора 2, что значительно увеличивает электрическую прочность рентгеновской трубки и ее ресурс. При работе рентгеновской трубки происходит выработка материала катода с увеличением диаметра отверстия Д, поэтому на практике для того, чтобы обеспечить высокую электрическую прочность и долговечность рентгеновской трубки, рекомендуется изначально выбирать диаметр отверстия в катоде меньше диаметра, при котором выполняется равенство (Д-Д)/S=(Д-Д)/S, так, чтобы в течение гарантированной наработки рентгеновской трубки выполнялось соотношение (Д-Д)/S>(Д-Д)/S.
1
2
3
1
2
6
±0,1
На основании заявленного изобретения создана импульсная рентгеновская трубка ИРТП3-150, в которой Д=4 мм, Д=8 мм, Д=10 мм, S=10 мм, S=10 мм. Испытания рентгеновской трубки проводились в серийно выпускаемом аппарате «Дина-2Д» при напряжении на трубке 110 кВ, емкости 30 пФ и частоте импульсов 100 Гц. В течение 5×10импульсов экспозиционная доза рентгеновского излучения за импульс (среднее значение) измерено на расстоянии 250 мм от окна трубки и фокусное пятно практически не изменилась и составила 0,4÷0,5 мР и 1,6 соответственно.
5
Ресурс трубки ИМА6-Д в таком режиме работы составляет 5×10 импульсов. Испытания разработанной импульсной рентгеновской трубки ИРТП3-150 показали, что по сравнению с серийно выпускаемой трубкой ИМА6-Д она имеет значительное преимущество по гарантированной минимальной наработке.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с высокой долговечностью.