ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА
PULSED X-RAY TUBE

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при разработке импульсных рентгеновских трубок, предпочтительно для использования в малогабаритных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии металлоконструкций, в частности для неразрушающего контроля качества сварки соединений при прокладке нефте и газопроводов.
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, 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 раза меньше, чем у рентгеновских трубок ИМА-2 и ИМА-5, используемых в большинстве импульсных рентгеновских аппаратов. 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 - цилиндрического стеклянного баллона 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 цилиндрического стакана, соединенного с корпусом, окно для вывода рентгеновского излучения, выполненное из металла, обладающее свойствами газопоглотителя, мишень, расположенную в корпусе на расстоянии от окна, и изолирующий элемент с катодом [патент РФ №2384912, H01J 35/22, 2010 г.].
Увеличение долговечности с обеспечением высоких рентгенотехнических характеристик в данной конструкции рентгеновской трубки достигается за счет значительного улучшения теплоотвода с мишени, приводящего к снижению эрозии материала мишени, путем обеспечения плотного контакта мишени с корпусом, выполненным из металла с высокой теплопроводностью, а также за счет повышения эффективности газопоглощения в процессе работы. К недостаткам следует отнести плохую защищенность изолятора от напыления продуктов эрозии материалов электродов.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса, 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 острие анода, выполненного из тугоплавкого материала с большим атомным номером, вывод анода, проходящий через полости корпуса и изолятора и соединенный с меньшим основанием изолятора, защитный экран в виде диска, соосно размещенный на проходящем в полости корпуса выводе анода около его острия [Л.Я.Морговский, Е.А.Пеликс, Импульсная рентгенография. Аппараты серии «Арина», ООО «Спектрофлэш», Санкт-Петербург, 1999 г. - прототип].
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 не эффективны. 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.
Задачей данного изобретения является создание импульсной рентгеновской трубки с высокой долговечностью при обеспечении высоких рентгенооптических параметров.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной импульсной рентгеновской трубке, содержащей металлический корпус в виде цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого 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 острие анода, выполненного из тугоплавкого материала с большим атомным номером, вывод анода, проходящий через полости корпуса и изолятора и соединенный с меньшим основанием изолятора, защитный экран в виде диска, соосно размещенный на проходящем в полости корпуса выводе анода около его острия, на внутренней поверхности корпуса над местом его соединения с изолятором выполнена отбортовка, а в полости изолятора на выводе анода соосно ему расположен дополнительный защитный экран в виде диска.
Выполнение корпуса с внутренней круговой отбортовкой и с хорошей теплоотдачей во внешнюю среду, из-за контакта с внешней средой, а также введение дополнительного защитного экрана в виде диска, расположенного в полости изолятора на оси вывода анода, позволяют обеспечить высокую долговечность рентгеновской трубки за счет уменьшения напыления продуктов эрозии на внутренней поверхности изолятора.
При работе рентгеновской трубки в процессе вакуумного разряда продукты эрозии материала электродов в виде паров металлов под действием электродинамической силы разлетаются по обе стороны от канала разряда между точками кромки внутри отверстия катода и конусной поверхностью анода. При этом материал электродов попадает на внутреннюю поверхность окна для вывода рентгеновского излучения, поверхность первого диска для экранировки и внутреннюю поверхность металлического корпуса с отбортовкой. Основная часть продуктов эрозии осаждается на этих элементах, так как корпус имеет хорошую теплоотдачу из-за контакта с окружающей средой. Пары металла, отдавая тепло металлическому корпусу, осаждаются на его внутренней поверхности. Для усиления этого явления экран надо делать из материала с хорошей теплопроводностью, например из меди. Продукты эрозии материала электродов, не задерживающиеся на внутренней поверхности корпуса с круговой отбортовкой, частично или полностью попадают на дополнительный защитный экран в виде диска, при этом при частичном прохождении продуктов эрозии запыление наблюдается только в верхней части изолятора. Диаметры отверстия, образованного отбортовкой корпуса, и дополнительного защитного экрана, расстояние между ними определяются из условия обеспечения минимально возможного запыления изолятора продуктами эрозии материалов электродов и обеспечения высокой электропрочности прибора.
Таким образом, предлагаемая конструкция рентгеновской трубки позволяет значительно уменьшить напыление продуктов эрозии металлов электродов на внутреннюю поверхность изолятора и тем самым повысить электропрочность и долговечность.
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 рентгеновской трубки, за счет выполнения на внутренней поверхности металлического корпуса над местом его соединения с изолятором отбортовки и введения в полость изолятора дополнительного защитного экрана в виде диска, расположенного на выводе анода соосно ему.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
Заявленное техническое решение поясняется чертежом.
На фиг.1 показан один из вариантов заявленной импульсной рентгеновской трубки.
Импульсная рентгеновская трубка (фиг.1) содержит металлический корпус 1 в виде цилиндра, с внутренней отбортовкой 2, выполненной над местом соединения нижнего основания корпуса 1 с большим основанием изолятора 3, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса 1, окно 4 в виде полусферы для вывода рентгеновского излучения и катод 5 из вольфрама с держателем 6, соединенные с верхним основанием корпуса 1, острие анода 7, выполненного из тантала, проходящее в направлении окна 4 через отверстие в центре катода 5, вывод анода 8, проходящий через объемы корпуса 1 и изолятора 3 и соединенный с меньшим основанием изолятора 3, при этом на выводе анода 8 соосно ему по обе стороны отбортовки расположены защитные экраны в виде дисков 9 и 10 (дополнительный), выполненные из металла, например меди, штенгель 11 для откачки рентгеновской трубки.
При подаче высоковольтного импульса на анод 7 (катод 5 заземлен) в межэлектродном пространстве создается высокая напряженность электрического поля, вызывающая взрывную эмиссию электронов с микроострий катода 5 с образованием потока электронов, двигающихся к аноду 7. При соударении электронов с анодом и их торможении происходит генерация рентгеновского излучения. При вакуумном пробое между катодом 5 и анодом 7 пары металлов материала электродов под действием электродинамической силы перемещаются по лабиринту рентгеновской трубки, соударяясь и прикасаясь к поверхностям экранов 9 и 10, и внутренней поверхности металлического корпуса 1 с отбортовкой 2, при этом отдавая тепло, осаждаясь в виде напыления. При этом внутренняя поверхность изолятора 3 остается без напыления или оно очень слабое, что значительно увеличивает электропрочность рентгеновской трубки и ее ресурс.
6
6
На основании заявленного изобретения разработана импульсная рентгеновская трубка ИРТП2-240. Испытания рентгеновской трубки проводились в серийной выпускаемом аппарате «Арина-9» при напряжении на трубке 240 кВ, емкости 50пФ и частоте импульсов 10 Гц. В течение 5×10 импульсов интенсивность ренгеновского излучения, измеренного по методике на указанный аппарат, после просвечивания стали толщиной 40 мм и фокусное пятно практически не изменялись и составили 65 мР и 2,7 мм соответственно. Ресурс трубки ИМА5-320Д в таком режиме работы менее 10 импульсов, а диаметр фокусного пятна изменился в течении наработки от 2,8 мм до 8 мм.
Испытания разработанной импульсной рентгеновской трубки ИРТП2-240 показали, что по сравнению с серийно выпускаемой рентгеновской трубкой ИМА5-320Д она имеет значительное превышение гарантированной минимальной наработки.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с высокой долговечностью.