РЕНТГЕНОВСКИЙ ОСТРОФОКУСНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ С СТЕРЖНЕВЫМ АНОДОМ
X-RAY ACUTE-FOCUS RADIATOR WITH ROD ANODE

Изобретение относится к рентгеновской технике, в частности, к миниатюрным рентгеновским излучателям, и может быть использовано для создания компактных устройств для локального местного контроля - в медицине, технике, системах досмотра, быту.
Аналоги и прототип.
В рентгеновских трубках, применяемых для контроля и измерений высокого пространственного разрешения, для получения супермалых размеров электронного пятна на аноде (острого фокусного пятна) используются управляющие электродные системы - электронные пушки. Общими недостатками этих вариантов являются сложность конструкции и большие габариты, гигантские значения плотности энергии на поверхности анода, резко снижающие эффективность теплоотвода и надежность работы анода.
Известны «беспушечные» варианты конструкций миниатюрных рентгеновских излучателей, например: острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка со стержневым заостренным анодом (патент RU 2479883); импульсные рентгеновские трубки с острофокусным анодом и кольцевым катодом (патенты RU 2521433, 2521436, 2524351); рентгеновская трубка с кольцевым катодом и острофокусным анодом (патенты RU 2479883); рентгеновская трубка с анодом в виде заостренного стержня и кольцевым катодным узлом (патент RU 2328790); рентгеновская трубка с микроканальной пластиной в качестве источника электронов и локально модулируемым излучением (патент RU 2507627); миниатюрный рентгеновский излучатель с микроканальным элементом и управляемым катодом (патент RU 2563879).
Основным решением для этих вариантов является использование стержневого заостренного анода и вокруг него кольцевого катода, создающего круговой поток электронов, с отверстием для прохождения рентгеновского излучения. Их общими недостатками являются малоэффективный отвод тепла от анодного острия и большое расстояние от анода до катода (и, соответственно, окна), необходимое для обеспечения максимальной остроты (минимальной площади) засева анода электронами.
Из перечисленных вариантов-аналогов наиболее близким по структуре к заявляемому (прототипом) является импульсная рентгеновская трубка [1], содержащая вольфрамовый плоский катод с взрывной эмиссией, имеющий осесимметричное отверстие (окно) относительно анода, выполненного из танталового стержня с заостренной вершиной в виде конуса с углом не более 60°, расположенной ниже плоскости расположения катода на расстоянии не более 2 мм. Стержневой анод закреплен на держателе, прикрепленном через стержень, присоединенный к основанию корпуса.
Недостатками прототипа являются:
Амплитудная и пространственная нестабильность рентгеновского излучения, обусловленная большой нестабильностью тока электронов взрывной эмиссии с металлического катода и образованием одного центра эмиссии, место положения которого мигрирует от выстрела к выстрелу.
- Использование взрывного эмиссионного катода приводит к необходимости защищать элементы внутри трубки от действий неизбежно распыляемого металла катода, что значительно усложняет конструкцию и увеличивает габариты трубки. Кроме того, снижается надежность и долговечность работы, ограничиваются режимы питания импульсным вариантом.
Стержневой заостренный анод и использованный вариант его расположения относительно катода не позволяют получить фокусное пятно диаметром менее 0.6 мм.
- Расположение анода относительно катода с минимально возможным углом к оси трубки, необходимое для уменьшения размера электронного пятна на конической поверхности анода, приводит к значительному отклонению оси конуса рентгеновского излучения от оси трубки и, соответственно, к уменьшению мощности излучения на исследуемом объекте.
- Большое расстояние от острия анода до объекта - не менее 10 мм, что снижает эффективность использования рентгеновского излучения.
- Малоэффективный теплоотвод в виде стержня с большими отношением длинны к диаметру и тепловым сопротивлением, определяемыми цилиндрической конструкцией трубки.
Описание конструкции и действия излучателя.
Указанные недостатки аналогов и прототипа в определенной мере устраняются в заявленном варианте благодаря использованию автоэмиссионного катода (автокатод) в виде отрезка проволоки супермалого диаметра, анода в виде игольчатого стержня из термостойкого металла, соединенного прочно с конусным радиатором с малым тепловым сопротивлением, который через фольгу должен быть соединен свободно с радиатором устройства применения.
Заявленный излучатель выглядит следующим образом - фиг. 1, а и в. Фиг. 1, в - вид снизу в разрезе А-А.
1 - вывод катодный,
2 - держатель катода,
3 - катод,
4 - анод,
5 - окно-фольга,
6 - подпорка,
7 - крышка катодная,
8 - корпус-цилиндр,
9 - теплоотвод,
10 - пружинный держатель,
11 - стеклоцемент,
12 - крышка анодная,
13 - вывод анодный,
14 - пластинка,
15 - МКЭ-газопоглотель.
Заявленный излучатель действует следующим образом.
При подаче высоковольтного напряжения между автокатодом 3 и анодом 4, на электроды 1 и 13, происходит автоэмиссия из отрезков четырех проволочных катодов 3, концы которых укреплены на пружинных держателях 2, присоединенных стеклоцементом к катодной крышке 7. Электроны эмиссии бомбордируют боковую поверхность анода 4, создавая тормозное рентгеновское излучение через окно-фольгу 5, прикрепленную к подпорке 6 на катодной крышке 7 корпуса-цилиндра 8. Стержневой анод 4 прочно присоединен к конусовидному теплоотводу 9, удерживаемому тремя пружинными держателями 10, присоединенными стеклоцементом 11 к анодной крышке 12. Конусовидный теплоотвод 9 присоединен свободно к пластинке 14, присоединенной вакуумноплотно к анодной крышке 12, через которую излучатель должен быть установлен через теплопроводящий клеевой вязкий слой к радиатору устройства применения. Поддержание вакуума внутри излучателя обеспечивается микроканальным элементом (МКЭ) 15.
Определение свойств элементов конструкции.
Рентгеновские излучатели состоят из вакуумного баллона, имеющего окно для вывода излучения, термоэмиссионного или автоэлектронного катода, электродной структуры управления потоком электронов из катода (пушка); анода для торможения электронов и создания рентгеновского излучения; элемента поддержания вакуума в баллоне (газопоглотитель); радиатора для отвода тепла; защитного кожуха.
Спецификой конструкции миниатюрного рентгеновского излучателя является отсутствие в них пушки. В случае, когда катод является точечным и расположен максимально близко к аноду, роль пушки практически сводится к нулю. Роль защитного кожуха исполняет корпус устройства применения.
Катод. Анод.
7
3
5
Определяющими параметрами при использовании автокатода являются форма, размеры, расположение катода и анода. Они задаются с учетом эмиссионной способности, зависящей от материала [2]. Величины поля для автоэмиссии в случаях эмиттера - металла должны быть порядка 10 В/мм. При использовании в качестве материала эмиттера наночастиц узкозонных полупроводников АВ (InSb, InAs, GaSb) необходимые для эмиссии величины поля могут быть снижены на порядок [3].
Катод представляет собой четыре вольфрамовые проволоки, расположенные перекрестным образом (фиг.1, в) так, что обрамляют анод квадратом с четырех сторон. Диаметр проволоки выбирается минимальным, но с учетом его технологичности и необходимой прочности в условиях эксплуатации в приборе. Исходя из опыта заявителя данной заявки на изобретение, выбрана вольфрамовая проволока диаметром 20-25 мкм.
Анод представляет собой стержень-конус. Для уменьшения размера фокусного пятна необходимо, чтобы размеры анода были минимальны, а для увеличения напряжения и мощности - максимальны. Компромисс устанавливается путем определения допустимых размеров и материала анода.
Важным параметром для определения оптимума является угол при вершине конуса-анода, который определяется с учетом получения наибольшего выхода рентгеновского излучения при заданном размере фокусного пятна.
При тормозном рентгеновском излучении его направление есть вектор (вектор Умова), перпендикулярный векторам изменения скорости (вектор торможения) и изменения напряженности магнитного поля, которые, в свою очередь, перпендикулярны между собой. Направление вектора Умова определяет индикатрису излучения и зависит от параметров поля между катодом и анодом, глубины и направления проникновения электронов в материал анода. Ось индикатрисы рентгеновского излучения лежит в плоскости, перпендикулярной линии движения электрона, и хаотически разнонаправлена в пределах 360° [4].
Угол направленности излучения дополнительно размывается, когда электроны, вылетая из катода, могут иметь хаотически направленные векторы скорости. Этому способствуют «горячие» катод и среда на пути электронов. В этой связи автоэмиссионный катод является предпочтительным по сравнению с термическим, плазменным, с взрывной эмиссией.
k
k
k
Торможение электронов происходит в приповерхностных слоях металла анода. Излучение происходит на некоторой глубине и выходит под некоторыми углами к поверхности анода. С учетом распределения (размытия) величин этих углов определяется угол при вершине конуса-анода. Чем меньше глубина проникновения электронов в материал, тем может быть острее угол конуса. Исходя из этого, материал анода необходимо выбирать максимально тяжелый. При этом он должен иметь максимально высокое значение температуры плавления и устойчивые характеристики при сильном нагреве. Всем этим свойствам наиболее соответствуют вольфрам и тантал, из которых предпочтительнее вольфрам как наиболее применяемый на практике металл. Глубина проникновения электронов в вольфрам не превышает одного микрона (http://www.ngpedia.ru/id644445p2.html), что в нашем случае означает отсутствие влияния приповерхностной толщины поглощения на углы излучения и конуса. Угол при вершине конуса тогда задается с учетом величины проекции его боковой поверхности на плоскость окна, определяющей размер фокусного пятна, и разумного выбора размеров анода из соображений получения максимальной рассеиваемой мощности. Кроме того, для обеспечения величины форм-фактора при автоэмиссии хотя бы на уровне 100 необходимо выполнить соотношение h=z:d=100:1, где h - высота конуса-анода, z - расстояние от катода до анода, d - диаметр проволоки-катода. При выбранном варианте d=(20-25) мкм h=z=(2-3) мм, угол заострения стержня-анода - (15-25)°.
3
5
Таким образом, по условиям предложенного варианта, катодом выбрана вольфрамовая проволока диаметром 20-25 мкм, покрытая наночастицами узкозонного полупроводника АВ (InSb, InAs, GaAs), а анодом - вольфрамовый заостренный стержень длиной (2-3) мм и углом заострения (15-25)°. Расстояние между нитями катода и стержнем анода - ~(2-3) мм.
Окно-фольга. Подпорка.
4
5
Обычно в рентгеновских трубках в качестве материала окна используют самый легкий металл - бериллий. Однако, из-за необходимости удержания атмосферного давления и во избежание разрушения окна возникающими при нагреве механическими деформациями, окно должно иметь сравнительно большую толщину, что нежелательно. Теплофизические расчеты, проведенные в работе [5], показывают, что в качестве материала выходного окна вместо бериллия могут быть использованы алюминий или углерод (в форме стеклоуглерода или поликристаллического искусственного алмаза) ввиду их высокой теплопроводности. Из соображений технологической простоты выберем алюминий. В целях минимизации потерь излучения толщина алюминиевой фольги выбирается минимальной, но с учетом обеспечения длительного сохранения вакуума в приборе. Расчет по данным [Справочник химика 21. www.ngpedia.ru/pic/ 042DQoH2C7K1k5a5K0x80012113777.gif] для диффузии азота (основного компонента воздуха) через алюминиевую мембрану толщиной 50 мкм приводит к величине времени начала ухудшения вакуума (10-10) часов, что приемлемо для реальных условий применений. Уменьшение толщины мембраны в 2 раза приводит к уменьшению времени натекания в 4 раза.
Для определения оптимального размера окна была использована программа расчета напряжений в мембране с закрепленными по контуру краями (http://al-vo.ru/mekhanika/raschet-progiba-plastiny.html). Исходные данные для расчета:
Материал фольги - Al, толщина h=50 мкм;
2
Предел текучести (прочности) σ=100 Н/мм;
2
Модуль упругости Е=66000 Н/мм;
Коэффициент Пуассона μ=0.34;
2
Распределенная равномерная нагрузка, соответствующая нормальному атмосферному давлению q=0.1 Н/мм.
2
Результаты расчета показывают, что при размере отверстий 2 мм максимальные напряжения растяжения в алюминиевой фольге составляют 38 Н/мм, т.е. имеется 2-3 кратный запас прочности (относительно предела текучести). При диаметре окна более 2 мм необходимо либо увеличивать толщину алюминия, либо создавать подпорку в виде сетки из более прочного материала.
При диаметре отверстия окна более 2 мм целесообразно алюминиевую фольгу присоединить к подпорке в виде сетки, сделанной в более толстой пластинке-фольге относительно прочного материала, стыкованного по коэффициенту термического расширения (КТР) с материалом корпуса. Для расчета толщины подпорки, поддерживающей окно-фольгу и представляющей собой сетку в зоне окна-фольги, воспользуемся этой же программой с учетом снижения прочности пластины из-за наличия отверстий. Согласно рекомендациям (Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов… ПНАЭ Г - 7-002-86, Москва, Энергоатомиздат, 1989) для плоских днищ и крышек, имеющих несколько отверстий, минимальное значение коэффициента снижения прочности вычисляется по формуле:
i
r
i
Где Σd- - сумма длин хорд отверстий в наиболее ослабленном диаметральном сечении; D. - диаметр окна. Для данного случая ϕ=1/(1+0.8+0,64)=0,4. Остальные данные для расчета:
Материал пластинки (фольги) - ковар, толщина 0,5 мм;
2
Предел текучести (прочности) σ=500 Н/мм;
2
Модуль упругости Е=140000 Н/мм;
Коэффициент Пуассона μ=0.3;
2
Распределенная равномерная нагрузка, соответствующая нормальному атмосферному давлению q=0.1 Н/мм.
2
Результаты расчета показывают, что при диаметре окна 20 мм максимальные напряжения составляют 60 Н/мм, что при учете коэффициента ослабления 0,4 дает трехкратный запас прочности.
Таким образом, в качестве окна-фольги выбран алюминий толщиной 25-30 мкм, диаметром 3-5 мм, которая вакуумно плотно присоединяется с подпорке толщиной 0.4-05 мм и диаметром до 20 мм. Подпорка имеет в области окна-фольги сетчатую структуру с прозрачностью ~0.8 и вне этой области присоединена вакуумноплотно к крышке корпуса излучателя.
Теплоотвод. Пластинка.
Выбор формы, размера и материала элементов позволяет рассчитать их тепловые параметры [6]. Анод - вольфрамовый стержень-конус, присоединенный основанием к теплоотводу. Оптимальным вариантом теплоотвода является усеченный конус из хорошо теплопроводящего материала, лучшим из которых является медь.
T
2
В основе расчета лежит определение теплового сопротивления R (мК/Вт) усеченного конуса (фиг. 2):
где  - элемент высоты конуса, находящийся на расстоянии  от верхнего основания конуса и имеющий площадь поперечного сечения , причем тепловой поток равномерно распределен по площадке .  где  - радиус текущего сечения конуса. λ - коэффициент теплопроводности (Вт/мК). Из рисунка видно, что .
T
T
1
2
-1
Вычисления приводят к формуле для R: R=L(πλrr).
T
Перепад температуры на конусе рассчитывается по формуле: ΔТ=Р/R.
С учетом теплового излучения уравнение теплового баланса:
-8
2
где - σ=5.7(10) Вт/мК - постоянная Стефана-Больцмана.
Второй член в формуле (1) в большинстве случаев дает незначительную добавку и имеет малую долю влияния.
2
1
2
Для случая медного теплоотвода (λ ~ 400 Вт/мК) перепад температуры ΔT [К] на нем при рассеиваемой тепловой мощности Р [Вт] - ΔТ~Prr/Н (все размеры в миллиметрах, H=L - высота конуса).
Принципиальным для рентгеновских излучателей является наличие в вакуумном объеме сильно нагретых элементов. Это приводит к нагреванию корпуса и возникновению больших градиентов температуры, что может приводить к механическим разрушениям прибора и его элементов. В рассматриваемом варианте относительно массивный теплоотвод из меди, имеющей коэффициент температурного расширения (КТР), значительно отличающийся от значений для стекла, должен быть механически отсоединен от корпуса. То есть теплоотвод необходимо присоединить к пластинке свободно. В системе появится еще один элемент с тепловым сопротивлением, которое, как показал расчет, более 10 раз меньше, чем тепловое сопротивление теплоотвода.
Таким образом, размеры теплоотвода рассчитываются в зависимости от величин потребляемой мощности. Пластинка выбирается в виде относительно толстой фольги материала, стыкованного по КТР со стеклом корпуса.
Газопоглотитель. МКЭ.
Для поддержания вакуума в электронных лампах в течение срока службы используют газопоглотитель-геттер (геттерирование. http://www.ngpedia.ru/ id640968p2. html).
Известны различные варианты введения в конструкцию рентгеновских трубок геттеров, общим недостатком которых является необходимость поддерживать рабочую температуру геттера, что приводит к усложнению конструкции трубки и ухудшению ее характеристик. В нашем варианте предлагается ввести в конструкцию трубки специальный геттерный элемент с развитой поверхностью, на которую производится напыление пленки распыляемого геттера. Данный элемент конструкции может быть выполнен в виде микроканального элемента (МКЭ) с закрытыми с одной стороны каналами. Со стороны открытых отверстий каналов расположен источник геттерного материала в виде таблетки или кольца. При активации источника путем индукционного нагрева пары геттерного материала осаждаются на внутренней поверхности каналов микроканальной пластины, создавая, таким образом, геттерное зеркало значительной площади. Сорбционная емкость такого геттерного элемента определяется суммарной площадью каналов МКП, которая многократно превышает площадь геттерного зеркала в электровакуумных лампах традиционной конструкции.
Пример исполнения и применения.
1
2
1
2
Размеры теплоотвода: Н=30 мм, r=3 мм, r=10 мм. Перегрев ΔТ~Prr/Н~ (50-100) К для случая рассеиваемой тепловой мощности Р~50 Вт.
Размер фокусного пятна (0.2-0.3) мм.
Размеры излучателя: цилиндр высотой (35-40) мм и диаметром (45-50) мм.
Излучатель должен быть установлен на массивное металлическое дно корпуса устройства. Корпус устройства может иметь вид уплощенного параллелепипида, располагаемого на столе.
В такой конструкции прибор может иметь применение для местного контроля внутренней структуры объекта уплощенной формы с разрешением не хуже 0.2 мм. Преимуществом прибора в данном случае является возможность оперативного управляемого ручным способом местного контроля структуры объекта. Прибор может быть использован в лечебных учреждениях, травмпунктах, на производстве, в бытовых условиях, при досмотре небольших объектах.
Использованные источники информации
1. Патент РФ 2524351. Импульсная рентгеновская трубка. Приоритет - 01.11.2012. Патентообладатель: ОАО "Плазма". Авторы: Меркулов Б.П., Маханько Д.С, Тетерин Д.Е.
2. Егоров Н.В., Шешин Е.П. Электронная эмиссия. М.: Интеллект.2011.
3. Н.Д. Жуков, Д.С. Мосияш, А.А. Хазанов, Н.П. Абаньшин. Оптимизация структуры и материала автокатода. Прикладная физика, 2015, №3, с. с. 93-97.
4. Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей, https://www.twirpx.com/file/1067543
5. Подымский А. А. Мощные рентгеновские трубки для проекционной рентгенографии. Автореф. диссер. на соиск. уч. ст.канд. тех. н. Санкт-Петербург, 2016.
6. Теплопередача: Учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.