ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА С ВЗРЫВНОЙ ЭМИССИЕЙ
PULSED X-RAY TUBE WITH EXPLOSIVE EMISSION

Изобретение относится к импульсным рентгеновским трубкам с взрывной эмиссией электронов промышленного применения и может быть использовано при разработке и производстве импульсных рентгеновских аппаратов для дефектоскопии металлоконструкций, а также в аппаратуре для регистрации быстропротекающих процессов.
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 которого 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, 10.10.2001 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. Основным недостатком данной конструкции рентгеновской трубки является ее небольшой срок службы при работе в импульсных рентгеновских аппаратах с ухудшением рентгеновских параметров в процессе работы. Это связано с отсутствием хорошего теплоотвода с анода и катода, так как импульсная рентгеновская трубка 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 (в 20 раз меньше, чем у меди). Поэтому при длительной работе наблюдается сильный перегрев анода, который усиливает эрозию материала анода и, тем самым ухудшает рентгенотехнические параметры и ограничивает долговечность.
Известна импульсная рентгеновская трубка, содержащая цилиндрический корпус с фланцем, соединенный с одной стороны с лезвийным катодом в виде шайбы, внутренняя кромка которой охватывает острийный анод, выполненный в виде стержня, заканчивающийся конусом, и проходящего внутри изолятора в виде полого усеченного конуса, большее основание которого соединено с корпусом, а меньшее основание - с выводом анода [Л.Я.Морговский, Е.А.Пеликс, Импульсная рентгенография. Аппараты серии «Арина», ООО «Спектрофлэш», Санкт-Петербург, 1999 г.].
Данная импульсная рентгеновская трубка нашла применение в рентгеновских аппаратах серии «Арина», «Пион», «Шмель» и др. Ее срок службы ограничен из-за сильной эрозии материала анода и катода, выполненных из вольфрама, из-за низкого коэффициента теплопроводности элементов рентгеновской трубки, отводящих тепло, выполненных из сплава 29НК. Так как в конструкции импульсной рентгеновской трубки не решен вопрос теплоотвода с электродов, поэтому в процессе наработки из-за эрозии материала электродов ухудшаются рентгенотехнические параметры: уменьшается интенсивность рентгеновского излучения, растет его разброс, увеличивается фокус.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является импульсная рентгеновская трубка, содержащая корпус, изолятор, анод и катод, выполненные из тантала [патент РФ №2160480, H01J 35/00, H01J 35/02, H05G 1/02, 10.12.2000 г. - прототип].
Использование тантала в качестве материала электродов дает некоторые преимущества по сравнению с другими материалами, например вольфрамом. Тантал обладает меньшей работой выхода электронов, что позволяет повысить интенсивность излучения примерно на 10-20%.
К недостаткам данной импульсной рентгеновской трубки, в которой электроды выполнены из танталовой фольги, следует отнести низкий ресурс стабильной работы при напряжении на аноде, меньшем 200 кВ.
Известно, что в процессе взрывной электронной эмиссии происходит разрушение микроострий поверхности катода с образованием новых микроострий от импульса к импульсу. Характер микроострий зависит от вводимой энергии в катод. При напряжении на аноде менее 200 кВ в процессе наработки происходит сглаживание микроострий, что приводит к уменьшению коэффициента усиления внешнего поля на поверхности катода (эффект полировки).
Задачей данного изобретения является создание импульсной рентгеновской трубки с взрывной эмиссией с высокой долговечностью в широком диапазоне напряжений на аноде.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной импульсной рентгеновской трубке с взрывной эмиссией, содержащей выполненные из тугоплавкого материала анод, например из тантала и катод, катод выполнен из материала с температурой плавления больше, чем температура плавления материала анода, например из вольфрама.
Выполнение катода из материала с температурой плавления больше, 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 рентгенотехнических 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 низкую работу выхода электронов 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 рентгенотехнические 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. Поэтому использование традиционных металлов в качестве материала катода импульсной рентгеновской трубки целесообразно при напряжении на аноде более 100 кВ.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным 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 изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение отвечает требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, в которых была бы обеспечена высокая долговечность импульсной рентгеновской трубки в широком диапазоне напряжений на аноде, за счет того, что катод выполнен из материала с температурой плавления больше, чем температура плавления материала анода, например катод из вольфрама, анод из тантала.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
Заявленное техническое решение поясняется чертежом.
На чертеже показан один из вариантов импульсной рентгеновской трубки с взрывной эмиссией.
Импульсная рентгеновская трубка с взрывной эмиссией (см. чертеж) содержит цилиндрический корпус 1 из металла, одно основание которого соединено с окном 2 для вывода рентгеновского излучения и посредством держателя 3 с лезвийным катодом 4 в виде шайбы, внутренняя кромка которой охватывает острийный анод 5 в виде стержня, заканчивающегося конусом со сферической вершиной, изолятор 6, 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 6 выводом 7 анода 5.
На основании данной конструкции были изготовлены импульсные рентгеновские трубки, в которых аноды изготовлены из тантала, при этом катод в одной трубке выполнен из вольфрама, а во второй - из тантала.
7
Сравнительные испытания импульсных рентгеновских трубок с взрывной эмиссией проводились в рентгеновском аппарате «Арина-7» при напряжении на трубке 190 кВ, емкости 30 пФ и частоте 10 Гц. В аппарате с импульсной рентгеновской трубкой с катодом из вольфрама и анодом из тантала в течение 10 импульсов интенсивность рентгеновского излучения, измеренного по методике на аппарат «Арина-7», после просвечивания стали толщиной 40 мм и фокусное пятно практически не изменились и составили соответственно 30 мР и 2,7 мм. В аппарате с импульсной рентгеновской трубкой с электродами из тантала срок службы, в течение которого рентгеновское излучение и фокусное пятно не изменялись и находились в пределах соответственно 30 мР и 3,0 мм составил порядка 10 импульсов. Трубка с электродами из тантала имеет большую долговечность только при работе в мощных энергетических режимах при напряжении на электродах более 200 кВ, что подтверждено испытаниями.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с взрывной эмиссией с высокой долговечностью в широком диапазоне напряжений, используемую в импульсных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии.