ИМПУЛЬСНАЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА

Полезная модель относится к импульсным рентгеновским трубкам с взрывной эмиссией, предназначенным для использования в импульсных рентгеновских аппаратах.
Известна импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус с прострельной мишенью из металла с большим атомным номером, расположенной на внутренней поверхности окна для вывода рентгеновского излучения, катод и изолирующий элемент из стекла в виде полого усеченного конуса, основание которого припаяно к корпусу [Александрович Э.-Г.В., Белкин Н.В., Канунов М.А., Разин А.А. Малогабаритная импульсная рентгеновская трубка с самовосстанавливающимся автокатодом. Сб. Физика и техника импульсных источников ионизирующих излучений для исследования быстропротекающих процессов. / Под. ред. Н.Г.Макеева - Саров, ВНИИЭФ, 1996 г, с.251].
Данная рентгеновская трубка имеет высокий импеданс (100-200 Ом) за счет сравнительно больших размеров межэлектродного промежутка. Она нашла применение в импульсных рентгеновских аппаратах серии «Арина», «Пион» и других для рентгенографирования металлоконструкций толщиной не более 20 мм. При увеличении средней мощности в рентгеновской трубке происходит перегрев и, как следствие, выход из строя вплоть до сквозного прожога ее оболочки из-за перегрева мишени, имеющей плотный контакт с окном оболочки. Долговечность такой рентгеновской трубки ограничена и зависит от режима ее работы. В этой рентгеновской трубке, как и в предыдущем случае, не решен вопрос теплоотвода от мишени, имеющей плотный тепловой контакт с оболочкой (окном) прибора. Так как конструкция рентгеновской трубки выполнена в металлостеклянном исполнении, то оболочка изготавливается из прецизионного сплава, имеющего КЛТР, практически одинаковый со стеклом, и низкий коэффициент теплопроводности. Кроме того, в рентгеновской трубке из-за газовыделений в процессе работы происходит ухудшение вакуума, что также снижает срок службы и ухудшает рентгенотехнические параметры.
Известна также импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде цилиндрического стакана, соединенное с корпусом окно для вывода рентгеновского излучения, выполненное из материала, обладающего свойствами газопоглотителя, мишень расположенную в корпусе на расстоянии от окна, и внутренний изолирующий элемент с катодом [Патент РФ №2160480, H01J 35/00, H01J 35/02, H05G 1/02, 10.12.2000 г.].
Указанная рентгеновская трубка, имеющая низкий импеданс из-за малых габаритных размеров, используется в медицине для внутриполостных облучений мягким рентгеновским излучением с энергией квантов 50-100 кэВ. К недостаткам такой рентгеновской трубки следует отнести: низкий срок службы из-за плохого теплоотвода с анода и неэффективной работы газопоглотителя, малый угол раскрыва диаграммы направленности рентгеновского излучения, так как корпус рентгеновской трубки закрывает ее фокус, а окно удалено от мишени и имеет форму плоскости. Этот недостаток ограничивает долговечность и ухудшает рентгенотехнические характеристики
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является импульсная рентгеновская трубка, содержащая корпус в виде цилиндрического стакана, изготовленный из металла с высокой теплопроводностью, например меди, окно для вывода рентгеновского излучения, выполненное из металла, обладающего свойствами газопоглотителя, имеющее форму шарового сегмента или полушара, край которого охватывает дно цилиндрического стакана, мишень, выполненную из материала с высоким атомным номером, например тантала, расположенную на дне внутри цилиндрического стакана, и изолирующий элемент с катодом [Патент РФ №2384912, H01J 35/22, 10.12.2000 г. - прототип]. Основным недостатком такого решения является перегрев анода при работе с частотой следования импульсов более 100 Гц ввиду низкой теплопроводности анода данной конструкции, приводящий к разрушению анодного зеркала.
Технический результат полезной модели состоит в том, что позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с высокой долговечностью и работающую при рентгеновском излучении с энергией квантов до 400 кэВ и частотой следования импульсов до 10 кГц. Применение плоского выходного окна позволяет получить более равномерное пространственное распределение интенсивности излучения. Увеличение дозы излучения происходит за счет высокой частоты следования импульсов (на 2-3 порядка выше прототипа) при снижении энергии в импульсе в 2-5 раз.
Заявляется импульсная рентгеновская трубка, состоящая из корпуса 1, окна для выхода рентгеновского излучения 2, графитокерамического катодного узла 3, состоящего из керамической шайбы, кольцевой графитовой вставки и корпуса с отверстиями для выхода плазмы 5, вольфрамовый цилиндрический анод с конусным наконечником 4, запрессованный в медный дисковый радиатор 6.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом.
На Фиг.1 показан вариант исполнения импульсной металлокерамической рентгеновской трубки, где:
1 - корпус;
2 - окно для вывода рентгеновского излучения;
3 - графитокерамический катод;
4 - анод с медным радиатором;
5 - отверстия для выхода плазмы;
6 - медный радиатор.
Заявляемая импульсная металлокерамическая рентгеновская трубка содержит изготовленный из керамики корпус 1 в виде цилиндрического стакана, металлическое окно для вывода рентгеновского излучения 2 и графитокерамический катодный узел 3, состоящий из керамической шайбы, кольцевой графитовой вставки и корпуса с отверстиями для выхода плазмы 5, на дне внутри цилиндрического стакана расположен анод-мишень 4, выполненный в виде заостренного цилиндра из материала с высоким атомным номером, запрессованный в медный радиатор 6, сообщающийся с масляным объемом.
Заявляемая трубка работает следующим образом: импульс высокого напряжения, приложенный к катоду, вызывает нарастание напряженности поля в точках соприкосновения кольцевой графитовой вставки и керамической шайбы. При некотором значении напряженности поля в точках соприкосновения возникает взрывная эмиссия электронов, в результате чего возникает нарастающий импульс тока электронов в направлении анода. Использование графитовой вставки в качестве эмиттера электронов позволяет ввиду высокой температуры плавления графита, высокой тепло- и температуропроводности повысить частоту следования импульсов до 10 кГц и выше. Электроны с энергией, определяемой значением импульса напряжения, тормозятся в теле анода, в результате чего формируется импульс рентгеновского излучения. Анод-мишень, выполненный в виде заостренного цилиндра, позволяет уменьшить размеры фокусного пятна до размеров 1-2 мм. Тепловая энергия от анода отводится через медный радиатор во внешнюю среду (трансформаторное масло, элегаз или воздух), что обеспечивает эффективное охлаждение тела анода.
Заявляемый технический результат - увеличение долговечности при излучении с энергией квантов до 400 кэВ достигается за счет значительного снижения эрозии материала анода-мишени в результате улучшения теплоотвода с анода-мишени 4. Во-первых, анод-мишень 4 выполнен из металла с высокой теплопроводностью (например, меди) и находится в тепловом контакте с жидким изолятором (трансформаторное масло, элегаз или воздух). Во-вторых, повышение эффективности отвода плазмы в процессе работы в результате выхода плазмы через отверстия 5 в прикатодном объеме, существенно меньшем (приблизительно в 50-100 раз) общего объема трубки снижает тепловую нагрузку на анод. Кроме того, применение плоского выходного окна 2 позволяет получить более равномерное пространственное распределение интенсивности излучения и упростить конструкцию. Эти решения позволяют увеличить дозу излучения за счет высокой частоты следования импульсов на 2-3 порядка по сравнению с ближайшим аналогом при снижении энергии в импульсе в 2-5 раз. Мощность дозы рентгеновского излучения возрастает в 20-500 раз.