ОКНО КОРПУСА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ
X-RAY WINDOW BODY

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при разработке источников рентгеновского излучения для малогабаритных рентгеновских аппаратов, в частности, для медицинской диагностики и внутриполостной рентгенотерапии, а также в других областях техники.
Окно состоит из двух вакуумно-плотно соединенных между собой слоев металлической фольги: внешней - выполненной из алюминия толщиной 50-60 микрон, и внутренней, присоединяемой к корпусу трубки - выполненной из материала, имеющего коэффициент термического расширения, одинаковый с материалом корпуса, причем вторая фольга выполнена в области отверстия в корпусе излучателя в виде сетки с шагом не более 2 мм и коэффициентом прозрачности не менее 0,8.
Технический результат - повышение эффективности при получении излучения длинноволнового диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображения при работе с объектами низкой рентгеновской плотности и малую глубину проникновения излучения в ткани при рентгенотерапии.
Из современного уровня техники известна конструкция рентгеновской трубки с прострельным анодом (Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. / Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1980 - Кн.1, с. 91-92). Анод трубки представляет собой тонкий слой тяжелого металла, нанесенный на выходное окно трубки, расположенное в ее торцевой части. Материалом окна служит тонкая бериллиевая пластина. Окно вакуумно-плотно соединено с корпусом. Катод выполнен в виде витой из вольфрамовой нити спирали, расположенной в фокусирующем устройстве. Тепловая мощность, выделяющаяся на аноде при его бомбардировке электронами, ограничивает предельно допустимую электрическую мощность трубки и, следовательно, максимальную интенсивность излучения. Как известно, для тонкопленочных вольфрамовых анодов-мишеней, нанесенных на подложку из бериллия, значение допустимой температуры не превышает (350-400)°C. Кроме того, из-за ограниченной теплопроводности бериллия во избежание разрушения окна возникающими при нагреве анода механическими напряжениями окно должно иметь сравнительно большую толщину, что приводит к снижению интенсивности рентгеновского излучения в длинноволновой области спектра.
Теплофизические расчеты [Подымский А.А. Мощные рентгеновские трубки для проекционной рентгенографии. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург, 2016] показывают, что для повышения электрической мощности трубки с прострельным анодом в качестве материала выходного окна вместо бериллия целесообразно использовать алюминий или углерод (в форме стеклоуглерода или поликристаллического искусственного алмаза) ввиду их высокой теплопроводности (таблица). Кроме того, отказ от бериллия в качестве конструкционного материала выгоден с точки зрения безопасности производства (известно, что металлический бериллий и его соединения ядовиты).
Конструкции рентгеновских трубок с выходным окном из алмаза и стеклоуглерода известны (например, патент SU 1653548, а.с. SU 486400), однако не получили распространения ввиду технологических сложностей их изготовления. Оптимальным вариантом материала выходного окна, таким образом, является тонкая алюминиевая фольга, однако ее механическая прочность недостаточна для противодействия атмосферному давлению при диаметре окна более 1-2 мм. При этом механическая прочность может снижаться за счет значительного нагрева фольги в случаях совмещения окна и мишени.
Известен источник рентгеновского излучения (патент США N 4057745, кл. H01J 35/08, публ. 1977 г.), который содержит вакуумный баллон с окном для выхода рентгеновского излучения, в котором размещены катод и анод. Анод-прострельный, выполнен следующим образом: анод-мишень представляет собой пленку металла, например меди, нанесенную вакуумным напылением на тонкую подложку из металла с относительно малым атомным номером, например, алюминия. Заявленное устройство содержит также пластину из материала с малым атомным номером, например, пластика, расположенную вплотную к аноду вне вакуумного объема, которая выполняет функции держателя для подложки, и многоапертурную сотовую структуру, которая также является в этой конструкции опорной. Такая конструкция обеспечивает хорошее пропускание генерируемых мишенью рентгеновских лучей. Это техническое решение наиболее близко к заявленному и является его прототипом.
Недостатком конструкции прототипа является относительно высокое тепловое сопротивление между анодом-окном и окружающей средой, обусловленное наличием пластиковой подложки-держателя на внешней поверхности окна. Вследствие этого снижается предельно допустимая электрическая мощность трубки и, соответственно, достижимая интенсивность излучения.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции выходного окна рентгеновской трубки с повышенной устойчивостью к тепловым нагрузкам и с высокой прозрачностью для длинноволнового (10-30 кВ) рентгеновского излучения. Поставленная задача решается тем, что окно состоит из двух вакуумно-плотно соединенных между собой слоев фольги: внешней - фольги, выполненной из алюминия толщиной 50-60 мкм, и внутренней, поддерживающей фольги - пластинки, присоединяемой к корпусу трубки, выполненной из металла (сплава), имеющего коэффициент термического расширения (КТР), одинаковый с материалом корпуса. Причем поддерживающая пластинка выполнена в области отверстия-окна в виде сетки сквозных отверстий с шагом не более 2 мм и коэффициентом прозрачности (отношением суммарной площади отверстий к площади окна) не менее 0,8. Толщина поддерживающей пластинки выбирается, исходя из размеров окна, чтобы обеспечить устойчивость конструкции к атмосферному давлению.
Толщина алюминиевой фольги выбирается минимально возможной с учетом отсутствия натекания воздуха для обеспечения длительного сохранения вакуума в приборе. Проведенный расчет (данные для расчета взяты из справочник химика 21 [www.ngpedia.ru/pic/042DQoH2C7K1k5a5K0x80012113777.gif]) для диффузии азота (основного компонента воздуха) через алюминиевую мембрану толщиной 50 мкм позволил получить значения величины времени начала ухудшения вакуума 104-105 часов, что приемлемо для реальных условий применений. Уменьшение толщины мембраны в 2 раза приводит к уменьшению времени начала натекания в 4 раза.
Для определения оптимального шага сетки отверстий поддерживающей пластинки была использована программа расчета напряжений в прямоугольной мембране с закрепленными по контуру краями (http://al-vo.ru/mekhanika/raschet-progiba-plastiny.html). Исходные данные для расчета:
Материал фольги - Al, толщина 50 мкм;
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 в поддерживающей пластинке 2 на 2 мм максимальные напряжения растяжения в алюминиевой фольге составляют 38 Н/мм, т.е. имеется 2-3 кратный запас прочности.
Для расчета толщины перемычек сетки поддерживающей пластинки 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=Т40000 Н/мм;
Коэффициент Пуассона μ=0.3;
2
Распределенная равномерная нагрузка, соответствующая нормальному атмосферному давлению q=0.1 Н/мм.
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, соотношение диаметра окна в области отверстия в корпусе и толщины перемычек сетки поддерживающей пластинки должно быть не более 40:1.
Преимуществом предложенной конструкции по сравнению с прототипом является улучшенный тепловой контакт окна с окружающей средой, в качестве которой может быть использован охлаждающий газ или жидкость, благодаря чему рентгеновская трубка с окном предлагаемой конструкции может выдерживать большие тепловые нагрузки и, следовательно, иметь большую максимальную интенсивность рентгеновского излучения. Кроме того, возможность согласования КТР внутренней (поддерживающей) фольги с материалом корпуса позволяет снизить механические напряжения в месте стыка и, тем самым, повышает надежность изделия в целом.
Примеры конкретного исполнения
Пример 1.
Миниатюрная рентгеновская трубка с боковым окном и прямонакальным термоэмиссионным катодом имеет корпус из электровакуумного стекла марки С93-1 в форме трубки диаметром 8 мм, с отверстием в стенке для выхода излучения. Отверстие вакуумно-плотно закрыто рентгенопрозрачным окном предлагаемой конструкции, состоящим из внутреннего слоя - фольги толщиной 0.5 мм из сплава 47НХР, в центральной части которой методом фотолитографии сформирована сетчатая структура, и внешнего слоя - алюминиевой фольги толщиной 50 мкм. Сплав 47НХР имеет КТР, близкий к стеклу корпуса, и высокие параметры вакуумно-плотного присоединения к нему. Склейка слоев между собой и приклейка внутреннего слоя к стеклу баллона выполнены при помощи стеклогерметика (легкоплавкого стекла) марки С73-2. Окно имеет форму прямоугольной секции цилиндра с радиусом изгиба, равным внешнему радиусу цилиндрического корпуса, с размерами, превышающими размер отверстия в корпусе, на 2-3 мм с каждой стороны.
Пример 2.
Миниатюрная рентгеновская трубка с торцевым окном, термоэмиссионным или автоэлектронным катодом и электростатической фокусировкой имеет корпус из электровакуумного стекла марки С52-1 в форме трубки диаметром 8 мм. Выходное рентгенопрозрачное окно, расположенное в торце трубки, согласно предлагаемому техническому решению, имеет форму круга и состоит из внутреннего слоя - фольги толщиной 0,5 мм из сплава 29НК («ковар»), в центральной части которой методом фотолитографии сформирована сетчатая структура, и внешнего слоя - алюминиевой фольги толщиной 50 мкм. Сплав 29НК имеет КТР, близкий к стеклу корпуса, и высокие параметры вакуумно-плотного присоединения к нему. Вакуумно-плотное соединение слоев между собой в периферийной области вне сетчатой структуры осуществлено пайкой твердым припоем после соответствующей обработки обеих соединяемых поверхностей. Соединение коваровой фольги со стеклянным баллоном осуществлено путем ее вплавления в стекло.