Способ обезгаживания и активирования газопоглотителя в рентгеновской трубке и катод рентгеновской трубки для его осуществления
METHOD FOR DEGASSING AND ACTIVATING THE GAS ABSORBER IN AN X-RAY TUBE AND X-RAY TUBE CATHODE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к области вакуумной технологии для поддержания высокого вакуума в различных приборах, в частности к области вакуумирования металлокерамических рентгеновских трубок.
Известны устройства - геттеры (газопоглотители), геттерные элементы, предназначенные для создания и поддержания высокого вакуума в некоторых ограниченных объемах различных устройств - электронных лампах, рентгеновских трубках и т.п., основные функциональные элементы которых должны продолжительное время (до нескольких лет) находиться в высоком вакууме, при этом для того, чтобы геттерный элемент начал выполнять свою функцию, его активируют уже будучи помещенным в вакуумный объем устройства. Активация геттерного вещества осуществляется обычно его нагреванием до определенной температуры каким-либо способом. В электровакуумном приборостроении применяют два вида газопоглотителей: распыляемые и нераспыляемые. К распыляемым газопоглотителям относятся тонкие металлические пленки из активного металла, например бария, магния и других, осаждаемые на внутренней поверхности вакуумного сосуда. К нераспыляемым газопоглотителям относят металлические (титан, цирконий, тантал), порошкообразные (титан, цирконий, торий, ванадий) и другие.
В известном способе для распыления бариевого газопоглотителя полочку с газопоглотителем разогревают до температуры 900 - 1200°С при помощи высокочастотного индуктора (Иориш А.Е. «Основы технологии производства электровакуумных приборов», государственное энергетическое издательство, М-Л. 1961, с.333). Распыленный барий оседает на холодной стенке прибора и образует так называемое геттерное зеркало, способное поглощать газы.
Недостатком этого способа является то, что высокочастотный нагрев весьма трудно реализовать в металлокерамических рентгеновских трубках. Кроме этого, осаждаемый в виде металлической пленки газопоглотитель может попасть на внутреннюю поверхность изолятора рентгеновской трубки, что может стать причиной высоковольтного пробоя и выведения рентгеновской трубки из строя. Частицы осажденного на катод и анод металла газопоглотителя могут вызвать загрязнение спектра рентгеновского излучения трубки линиями посторонних элементов. Кроме этого, температурные границы применения пленочных газопоглотителей находятся в пределах 20 - 200°С, что также накладывает ограничения на их применение в мощных рентгеновских трубках.
Также известен способ и геттерный элемент для его осуществления (патент США №5882727 МПК B01J 20/02, приоритет 23.07.1996), где активный материал в виде пасты (геттерный материал и органика) наносится на плоскую подложку. Активация геттерного элемента, включающего в свой состав элементы органики, приводит к выделению частиц геттерной пасты в весь вакуумируемый объем.
Недостатком способа и связанного с ним геттерного элемента является то, что он не решает одновременно проблемы поддержания высокого вакуума в процессе эксплуатации и проблему активации геттера, так как он выделяет газообразные частицы, ухудшающие вакуум, в большей или в меньшей степени, или при их активации, или в процессе дальнейшей работы.
Известен способ и геттерный элемент для его осуществления (патент США №5929515 МПК F01L 23/26, приоритет 01.10.1997), в котором нет вредного влияния газообразных выделений на основной действующий элемент устройства, геттерный элемент помещается в небольшой вакуумный объем, расположенный непосредственно над этим элементом устройства, что защищает его от вредных выделений других частей устройства. Но для активации геттера требуется использование лазерного излучения.
Недостатком известного способа является то, что активация геттера лазерным излучением значительно сложнее, чем активация посредством электрического тока, и требует сложного и дорогостоящего оборудования. Кроме того, он не решает одновременно проблемы поддержания высокого вакуума в процессе эксплуатации и проблему активации геттера.
Известен способ и геттерный элемент для его осуществления (патент РФ № 2379780, МПК H01J 7/18, опубл. 20.01.2010), при котором на поверхность газопоглотителя из пористого геттерного вещества, помещенного в вакуумный сосуд, наносят несплошную металлическую пленку, что позволяет защитить поверхность геттерного элемента от выделения частиц, ухудшающих вакуум, и активировать геттерный элемент за счет нагрева металлической пленки путем пропускания электрического тока.
Недостатком известного способа и геттерного элемента для его осуществления является использование электрического нагрева металлической пленки для активации пористого геттерного вещества. Чтобы осуществить подведение тока нагрева к геттерному элементу размещенному внутри вакуумной оболочки, необходимо предусмотреть на вакуумной оболочке рентгеновской трубки вакуумноплотные электрические вводы, что значительно усложняет и удорожает конструкцию рентгеновской трубки, а также повышает процент брака при их изготовлении.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является типичный способ обезгаживания и активирования газопоглотителя (Прикладная физика, 2017, № 2 Физическая аппаратура и её элементы, УДК 533.9.07 Исследования нераспыляемых геттеров для применения в инжекторах атомов водорода для установок термоядерного синтеза А. Н. Драничников, А. А. Краснов, А. М. Семенов), реализованный при вакуумировании металлокерамической рентгеновской трубки (Патент РФ 2716261, H01J 35/02, 02.10.2019), включающий размещение газопоглотителя в виде пористых таблеток внутри вакуумного объема рентгеновской трубки и его последующий нагрев за счет нагрева всей рентгеновской трубки при её температурном обезгаживании, вначале до температуры обезгаживания, а затем до температуры активирования, выдержку и последующее охлаждение.
Недостаток известного способа проявляется в том, что при применении пористых газопоглощающих таблеток в стеклянных или металлостеклянных рентгеновских трубках накладываются температурные ограничения на активирование материала газопоглощающих таблеток, вызванные достаточно низкой температурой размягчения стекла вакуумной оболочки. При реализации известного изобретения в металлокерамических рентгеновских трубках также возникают проблемы нагрева трубок ввиду их конструктивных особенностей. Нераспыляемые пористые геттеры, например из титана, обезгаживаются при температуре 300-400°С, а активируются при температуре 700-800°С, что не всегда может быть реализовано ввиду конструктивных особенностей рентгеновских трубок, поскольку, например медь, из которой изготовлен анод, при температуре порядка 800°С начинает активно испаряться, что недопустимо. Следует отметить, что характерным свойством нераспыляемых газопоглотителей является рост их активности с повышением собственной температуры. Оптимальная температура поглощения большинства нераспыляемых составов для окиси и двуокиси углерода и азота лежит в пределах 400°C и выше, что также накладывает определенные ограничения на температурные режимы работы рентгеновских трубок.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является катод рентгеновской трубки (патент RU от 04.09.202 № 2745447 МПК H01J 35/06), состоящий из катодной чашки, фокусирующего электрода, эмиттеров, размещенных в установочных пазах катодной чашки и закрепленных на токовводах, причем токовводы установлены в керамических втулках, а керамические втулки размещены в посадочных местах, выполненных в катодной чашке, при этом по крайней мере один токоввод каждого эмиттера установлен в керамической втулке, причем фиксация керамической втулки в посадочном месте реализована посредством разрезной металлической муфты, размещенной в посадочном месте катодной чаши и стопорных винтов, а фиксация другого токоввода, установленного в другом посадочном месте катодной чашки реализована посредством стопорных винтов.
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности использования тепла, выделяющегося при нагреве эмиттеров при прохождении тока накала для разогрева геттеров, размещенных в вакуумноплотной оболочке металлокерамической рентгеновской трубки для их обезгаживания и активирования.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является:
- повышение эффективности активирования геттеров в рентгеновских трубках;
- увеличение времени сохранения рабочего вакуума в рентгеновской трубке и, соответственно, увеличение её ресурса;
- упрощение конструкции рентгеновской трубки;
- снижение температуры нагрева рентгеновской трубки при активировании геттеров.
Указанные задачи решаются следующим образом.
1. Способ обезгаживания и активирования газопоглотителя в рентгеновской трубке, включающий размещение газопоглотителя внутри вакуумного объема рентгеновской трубки и его последующий нагрев вначале до температуры обезгаживания, а затем до температуры активирования, выдержку и последующее охлаждение, отличающийся тем, что газопоглотитель нагревают до температуры термического обезгаживания рентгеновской трубки, затем подают ток накала на эмиттер величиной не менее 110% от его номинального значения, нагревают эмиттер и дополнительно повышают температуру газопоглотителя за счет лучистого теплообмена.
2. Катод рентгеновской трубки состоящий из катодной чашки, фокусирующего электрода, эмиттеров, размещенных в установочных пазах катодной чашки и закрепленных на токовводах, причем токовводы установлены в керамических втулках, а керамические втулки размещены в посадочных местах, выполненных в катодной чашке, отличающийся тем, что между внешней поверхностью катодной чашки и внутренней поверхностью фокусирующего электрода выполнен кольцевой полый канал сообщающийся с установочными пазами катодной чашки, а в кольцевом полом канале размещен газопоглотитель.
3. Катод рентгеновской трубки по п.2, отличающийся тем, что газопоглотитель выполнен в виде кольца из свернутой металлической ленты.
4. Катод рентгеновской трубки по пп.2,3, отличающийся тем, что металл ленты выбран из ряда Pd, Ta, V, Nb, Ti, Zr, Mo.
5. Катод рентгеновской трубки по п.2, отличающийся тем, что газопоглотитель выполнен в виде колец из металлической проволоки.
6. Катод рентгеновской трубки по пп.2,5 отличающийся тем, что металл проволоки выбран из ряда Pd, Ta, V, Nb, Ti, Zr, Mo или сплава Ti-Mo, Ti-V.
7. Катод рентгеновской трубки по п.2, отличающийся тем, что газопоглотитель выполнен в виде металлопористого кольца.
8. Катод рентгеновской трубки по пп.2,7, отличающийся тем, что металлопористое кольцо выполнено из титана или сплава титан-ванадий.
9. Катод рентгеновской трубки по п.2, отличающийся тем, что газопоглотитель выполнен в виде металлопористых вставок, совмещенных с установочными пазами катодной чашки.
10. Катод рентгеновской трубки по пп.2,9, отличающийся тем, что металлопористые вставки выполнены из титана или сплава титан-ванадий.
На фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 представлены чертежи, иллюстрирующие представленное техническое решение, где:
- фиг. 1 - схематически представлена конструкция катода рентгеновской трубки с размещенным в кольцевом канале газопоглотителем в виде кольца из металлической ленты;
- фиг. 2 - схематически представлена конструкция катода рентгеновской трубки с размещенным в кольцевом канале газопоглотителем в виде колец из проволоки;
- фиг. 3 - схематически представлена конструкция катода рентгеновской трубки с размещенным в кольцевом канале газопоглотителем в виде металлопористого кольца;
- фиг. 4 - схематически представлена конструкция катода рентгеновской трубки с разрезом В-В, на котором показано размещение в кольцевом канале газопоглотителей в виде металлопористых вставок, совмещенных с установочными пазами катодной чашки.
Катод рентгеновской трубки содержит катодную чашку 1 с установочными пазами 2, эмиттеры 3, токовводы 4, керамические втулки 5, разрезные муфты 6, стопорные винты 7, фокусирующий электрод 8. Фокусирующий электрод 8 и катодная чашка 1 соединены посредством резьбового соединения 9. Между внутренней поверхностью фокусирующего электрода и внешней поверхностью катодной чашкой имеется полый кольцевой канал 10, сообщающийся с установочными пазами 2. Внутри кольцевого канала 10 размещен газопоглотитель 11. Газопоглотитель 11 может быть выполнен в виде кольца из металлической ленты, колец из металлической проволоки 12, металлопористого кольца 13 или металлопористых вставок 14.
Пример. Разработана и изготовлена металлокерамическая рентгеновская трубка, в которой обезгаживание и активирование газопоглотителя выполняется следующим образом.
На начальном этапе производится сборка катодного узла, в состав которого входят все детали, показанные на фиг. 1.
Известно, что в общем случае растворимость газов в металлах увеличивается с повышением температуры (фиг. 5). Существует, однако, ряд металлов, отличающихся аномально высокой способностью растворять водород, растворимость водорода в которых при повышении температуры уменьшается фиг. 5, верхняя часть диаграммы).
исп.
исп.
ном
Принято решение в качестве материала газопоглотителя использовать металлы, образующие так называемые псевдогидриты (c точки зрения растворимости водорода).Растворимость газов в них уменьшается при повышении температуры, а при охлаждении возрастает потенциал связывания газов. В эту группу входят: Mn, Pd, Ta, V, Nb, Th, Ce, La, Zr, Ti. (В. Эспе «Технология электровакуумных материалов» Т. 1, с. 464, государственное энергетическое издательство, Москва. 1962, Ленинград). В разработанной металлокерамической рентгеновской трубке в качестве геттерного материала использована свернутая в кольцо лента из фольги металлического тантала, которая помещена в кольцевой канал. Собранный катод устанавливается на металлокерамическую рентгеновскую трубку, которая, после полной сборки, поступает на вакуумирование и температурное обезгаживание. Первый этап нагрева геттерного элемента производят с началом нагрева в вакууме металлокерамической рентгеновской трубки для её термического обезгаживания. В конце этапа термического обезгаживания рентгеновской трубки на горячие эмиттеры катода по соответствующему режиму подают ток накала и доводят его до номинального, дополнительно повышая температуру эмиттеров. Производится тепловое обезгаживание спиралей эмиттеров. На следующем этапе повышают ток эмиттеров, доводя его величину до не менее 110% от номинального. Этот режим обусловлен тем, что с увеличением энергии бомбардирующих электронов увеличивается глубина проникновения электронов в слой окисла и толщину восстановленного слоя металла. После обезгаживания электродов быстрыми электронами, когда металл восстанавливается на глубину нескольких атомных слоев, бомбардировка медленными электронами газоотделения не вызывает, так как медленные электроны тормозятся в слое восстановленного металла и не достигают оставшегося в глубине слоя окисла. Поэтому обезгаживание электродов электронной бомбардировкой всегда следует производить при напряжениях на электродах более высоких, чем рабочие напряжения (Иориш А.Е. «Основы технологии производства электровакуумных приборов», государственное энергетическое издательство, М-Л. 1961, с. 324). Кроме того, используемые технические условия на металлокерамическую рентгеновскую трубку разработанные в соответствии с ГОСТ 25113-86 устанавливают требования на испытательные электрические нагрузки Н, соответствующие Н = 1,1Н.
Таким образом, при обезгаживании и активировании газопоглотителя с использованием лучистого теплообмена от эмиттеров реализуется термовакуумный режим совместного нагрева до допустимых значений рентгеновской трубки (без перегрева трубки) и газопоглотителя до максимально допустимых значений, обеспечивающих максимальное газопоглощение геттера. Это обеспечивает повышение эффективности активирования газопоглотителей в рентгеновских трубках и, соответственно, увеличение времени сохранения рабочего вакуума в рентгеновской трубке.
Предложенный катод рентгеновской трубки, реализующий способ, позволяет использовать тепловой поток от нагретых эмиттеров, направляемый через установочные пазы катодной чашки в кольцевой канал, для дополнительного разогрева газопоглотителя, что позволяет понизить температуру нагрева рентгеновской трубки по сравнению с методом нагрева газопоглотителя путем общего нагрева рентгеновской трубки. Предложенная компоновка упрощает конструкцию катода и рентгеновской трубки, рационально использует внутренний объем катода и позволяет применять различные газопоглотители в зависимости от решаемых задач и конструктивных особенностей рентгеновских трубок.