ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА С ВЗРЫВНОЙ ЭМИССИЕЙ

Полезная модель относится к импульсным рентгеновским трубкам с взрывной эмиссией электронов промышленного применения и может быть использована при их разработке и производстве.
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 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, 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 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.].
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.
К недостаткам следует отнести большой размер фокусного пятна (2,5-3,0 мм), определяемый сечением анода в плоскости расположения катода.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является импульсная рентгеновская трубка с взрывной эмиссией, содержащая металлический корпус в виде цилиндра, одно основание которого соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и держателем с расположенным на нем лезвийным катодом в виде шайбы, внутренняя кромка которого охватывает острийный анод в виде стержня, переходящего в конус со сферической вершиной, изолятор, расположенный в корпусе и выполненный в виде полого усеченного конуса, большее основание которого соединено со вторым основанием цилиндрического корпуса, а меньшее основание соединено с проходящим внутри изолятора выводом анода, при этом катод выполнен из материала, например, вольфрама с температурой плавления выше, чем температура плавления материала анода, например, тантала [патент РФ №2440639, H01J 35/00, 10.06.2010 г. - прототип].
Выполнение катода из материала с температурой плавления выше, чем температура плавления материала анода позволяет сохранить воспроизводимость условий эмиссионного взрыва от импульса к импульсу при более низком напряжении на аноде трубки, что повышает долговечность с сохранением рентгенооптических параметров. В процессе работы импульсной рентгеновской трубки происходит взаимный массоперенос материала электродов, поэтому на острийной кромке катода, выполненного, например, из вольфрама, всегда присутствует микронное напыление материала анода, выполненного, например, из тантала, имеющего меньшую работу выхода электродов по сравнению с вольфрамом, что способствует увеличению эмиссионного тока, а, следовательно, и мощности рентгеновского излучения. В импульсной рентгеновской трубке с катодом из вольфрама и анодом из тантала рентгенооптические параметры не уступают трубке с электродами из тантала, а эффект полировки, т.е. сглаживание микроострий на кромке катода наблюдается при низком напряжении (десятки кВ) в области генерации рентгеновского излучения мягкого диапазона, используемого в медицине.
Основным недостатком данной импульсной рентгеновской трубки является ее низкая технологичность и трудность качественного выполнения аргонно-дуговой сварки (АДС) корпуса с окном для вывода рентгеновского излучения, изготовленных из материалов с разной температурой плавления. Такой рентгеновской трубкой является импульсная рентгеновская трубка ИРТП-240, выпускаемая серийно отечественной промышленностью для рентгеновских аппаратов серии "Арина". Корпус этой трубки выполнен из меди, а окно для вывода рентгеновского излучения выполнено из прецизионного сплава 42 НА-ВИ и обладает малой массой, т.к. имеет тонкую оболочку. Соединение корпуса с окном в процессе аргонно-дуговой сварки происходит путем оплавления медью. Качественное выполнение соединения возможно при обеспечении равномерного разогрева соединяемых деталей в процессе сварки, что трудно обеспечить при данном конструктивном решении. Требуется обеспечить между соединяемыми деталями хороший тепловой контакт и применить специальные оправки с высокой теплопроводностью и теплоемкостью для выравнивания температуры.
Задачей полезной модели является создание высокотехнологичной импульсной рентгеновской трубки с взрывной эмиссией, имеющей надежное соединение окна для вывода рентгеновского излучения с корпусом прибора, выполненного из материала с большой теплопроводностью и теплоемкостью.
ср.
ср.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной импульснаой рентгеновской трубке с взрывной эмиссией, содержащая металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и держателем с расположенным на нем лезвийным катодом в виде шайбы, внутренняя кромка которой охватывает острийный анод в виде стержня, переходящего в конус со сферической вершиной, изолятор, расположенный в корпусе и выполненный в виде полого усеченного конуса, большее основание которого соединено со вторым основанием корпуса, а меньшее основание соединено с проходящим внутри изолятора выводом анода, между держателем и первым основанием корпуса, выполненного из металла с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, расположено переходное кольцо, при этом окно, держатель и переходное кольцо выполнены из прецизионного сплава, например, ковара и соединены АДС, а переходное кольцо и первое основание корпуса первоначально соединены внутренним швом из серебросодержащего припоя, например, П-72 В, а после АДС окна, держателя и переходного кольца соединены дополнительным внешним швом, выполненным из серебросодержащего припоя, например, П-72 В.
Предлагаемая конструкция импульсной рентгеновской трубки с взрывной эмиссией с корпусом из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, например, меди позволяет повысить технологичность трубки, за счет повышения качества соединения корпуса прибора с окном для вывода рентгеновского излучения путем предварительной пайки корпуса с переходным кольцом и последующей АДС с окном. Для качественной сварки окна с переходным кольцом недопустимо присутствие серебросодержащего припоя, например, ПСр-72 В в непосредственной близости от места сварки, что достигается механической зачисткой после пайки корпуса с переходным кольцом. Зачистка припоя приводит к ослаблению механической прочности спая корпуса с переходным кольцом, поэтому для восстановления механической прочности этого спая проводится дополнительная пайка после проведения АДС. Необходимость дополнительного шва вызвана тем, что при проведении технологической операции по обезгаживанию трубки в вакууме при высокой температуре (400°С) в спае корпуса с переходным кольцом возникают усилия из-за разных температурных коэффициентов линейного расширения материалов, которые при нарушении механической прочности шва спая могут вызвать микротечь. Кроме того, повторная пайка импульсной рентгеновской трубки в вакууме приводит к устранению органики, попадающей в виде паров масла в процессе откачки камеры установки АДС с помощью форвакуумного насоса, и значительному повышению качества при его изготовлении
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 полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель отвечает требованию «новизна» по действующему законодательству.
Заявленное техническое решение поясняется чертежом.
ср.
ср.
ср.
На фиг.1 показан один из вариантов заявленной импульсной рентгеновской трубки. Импульсная рентгеновская трубка с взрывной эмиссией (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1 из металла, например, меди с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, первое основание которого через переходное кольцо 2 соединено с держателем 3 и окном 4 для вывода рентгеновского излучения, при этом переходное кольцо 2, держатель 3 и окно 4 выполнены из одного и того же материала - прецизионного сплава, например, ковара, и соединены АДС, а переходное кольцо 2 спаяно с первым основанием корпуса 1 внутренним швом 5 и внешним швом 6 из серебросодержащего припоя, например, П-72 В, лезвийный катод 7 в виде шайбы, внутренняя кромка которой охватывает острийный анод 8 в виде стержня, заканчивающегося конусом со сферической вершиной, изолятор 9, расположенный в цилиндрическом корпусе 1, выполненный в виде полого усеченного конуса, большее основание которого соединено со вторым основанием цилиндрического корпуса 1, а меньшее основание соединено с проходящим внутри изолятора 9 выводом 10 анода 8. Переходное кольцо 2 и первое основание корпуса 1 первоначально соединены внутренним швом 5 из серебросодержащего припоя, например, П-72 В, расположенным между внешней поверхностью переходного кольца 2 и внутренней поверхностью первого основания, а после АДС переходного кольца 2, держателя 3 и окна 4 соединены дополнительным внешним швом 6 из серебросодержащего припоя, например, П-72 В, расположенным в месте соединения переходного кольца 2 и первого основания корпуса 1 с внешней стороны прибора.
7
На основании предлагаемой конструкции были изготовлены импульсные рентгеновские трубки с взрывной эмиссией на базе трубки ИРТП-240 и испытаны в серийно выпускаемом рентгеновском аппарате "Арина-9" при напряжении на аноде трубки 250 кВ, емкости 30 пФ и частоте 10 Гц. В аппарате с импульсной рентгеновской трубкой предлагаемой конструкцией в течение наработки 10 импульсов интенсивность рентгеновского излучения, измеренная по методике на аппарат "Арина-9", после просвечивания стали толщиной 40 мм и фокусное пятно практически не изменились и составили соответственно 75 мР и 2,5 мм, что подтвердило высокое качество импульсной рентгеновской трубки предлагаемой конструкции.
По результатам испытаний были проведены изменения в конструкторскую и технологическую документацию на импульсную рентгеновскую трубку ИРТП-240 и начато их производство для серийного рентгеновского аппарата "Арина-9", выпускаемого ООО "Спектрофлэш" г.Санкт-Петербург.
Практика производства этих трубок показала высокую технологичность и качество приборов при минимальном технологическом браке.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с взрывной эмиссией высокого качества с высокой технологичностью.