КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ПРИБОРА ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЯХ
CATHODE PACK OF VACUUM TUBE FOR HIGH-VOLTAGE OPERATION

Предлагаемое изобретение относится к электровакуумным приборам, работающим при высоких напряжениях, в частности к рентгеновским трубкам, и может быть использовано для технических и медицинских применений.
В качестве источника электронов в электровакуумных приборах, работающих при высоких напряжениях, например, в рентгеновских трубках используются накальные и холодные катоды.
Так, рентгеновские трубки (РТ) с накальными катодами широко выпускаются для самого разного применения с 1926 г. (В.И.Раков Электронные рентгеновские трубки 1952 г.). Как правило, рентгеновские трубки имеют вакуумную оболочку, накаливаемый катод, способный эмитировать электроны, направляемые сильным полем на анод. После бомбардировки электронами, выходящими с катода, анод испускает рентгеновские лучи.
Однако катод накального типа - это узел, наиболее часто выходящий из строя, он не может обеспечить не только долговечность, но и долговременную стабильность эмиссии.
Известны так называемые «холодные» катоды для рентгеновских трубок (заявка US 2002063500, оп 30.05.2002 г., WO 0042631 оп 20.07.2002 г., GB 1109744 (A) оп. 04.10.1968 г., WO 0042631 оп. 20.07.2002 г., GB 1109744 (A) оп. 04.10.1968 г.). Их действие основано на явлении автоэлектронной (полевой) эмиссии, которая возникает при очень высоких напряженностях электрического поля, при этом анодные напряжения могут достигать 100-300 кВ. Эти трубки работают в импульсном режиме и не относятся к трубкам малой и средней мощности.
В качестве прототипа выбран катодный узел рентгеновской трубки, описанной в патентном документе LV 14047 (В), оп. 20.01.2010 г., с катодом на основе встроенного фотоэлектронного преобразователя и внешнего источника фотонов для возбуждения токов фото и вторичных электронов в вакуумном объеме РТ, который также относится к «холодным» катодам.
Такой катодный узел представляет собой фотоэлектронный преобразователь (ФЭП) с фотокатодом в качестве источника электронов и динодной системой умножения, с выводами для подачи напряжения на электроды. В качестве ФЭП предлагается использовать ФЭП умножительного типа.
Работа такого фотоэлектронного преобразователя состоит в следующем: на электроды ФЭП подается напряжение, которое распределяется таким образом, чтобы электроны с фотокатода направлялись на диноды умножителя, а затем на анод. Свет, попадая на фотокатод, вызывает поток электронов. Электроны умножаются на динодах и под действием сильного электрического поля бомбардируют анод, вызывая рентгеновское излучение.
Данный катодный узел для рентгеновской трубки взят нами за прототип. Прототип имеет следующие преимущества по сравнению с традиционным катодом накального типа:
- надежность.
Катод накального типа - это узел, наиболее часто выходящий из строя. Предлагаемое время наработки на отказ РТ с катодным узлом - прототипом на порядок выше, что дает возможность использовать РТ в условиях длительной эксплуатации, например, в полевых условиях, для космических и медицинских применений.
- стабильность.
Катод накального типа не может обеспечить долговременную стабильность эмиссии. Катод на базе ФЭП имеет возможность регулировать эмиссию за счет обратной связи со светодиодом или регулировкой напряжения на вторичном умножителе.
Однако данный прототип:
- не позволяет применить ФЭП умножительного типа в традиционной конструкции в качестве источника электронов для приборов, требующих для своей работы десятки и сотни киловольт, таких, какие требуются для получения, например, рентгеновского излучения из-за разрядных явлений на выводах, расположенных в поле высокого напряжения;
- описанный в прототипе катодный узел не позволяет эффективно сфокусировать поток фотоэлектронов с фотокатода на динодную систему умножения, а затем сформировать поток вторичных электронов на анод, и поэтому не обеспечивает высокий коэффициент усиления и выходной ток достаточной величины на анод рентгеновской трубки.
Данное изобретение предлагает конструкцию катодного узла, содержащего фотоэлектронный преобразователь (ФЭП), который под воздействием внешнего источника света может служить источником потока электронов и применяться в приборах с высоким (десятки и сотни киловольт) анодным напряжением, например, рентгеновских трубках.
Изобретение решает задачу создания надежного и долговечного катодного узла электровакуумного прибора для работы при высоких напряжениях.
Данная задача решается тем, что в известном катодном узле электровакуумного прибора, предназначенного для работы при высоких напряжениях, включающего фотоэлектронный преобразователь, в качестве источника электронов, с фотокатодом и динодной системой умножения вторичных электронов, а так же выводы для подачи напряжения на электроды, фотоэлектронный преобразователь дополнительно имеет фотокатодную камеру с входным оптическим окном, на внутренней поверхности которого расположен фотокатод, а выводы для подачи напряжения от внешнего источника на электроды фотоэлектронного преобразователя расположены вокруг фотокатодной камеры, причем диаметр фотокатодной камеры меньше диаметра динодной системы умножения вторичных электронов.
В качестве ФЭП умножительного типа обычный фотоумножитель применить в данном случае нельзя, так как вместо традиционного коллектора фотоумножителя, который снимает выходной сигнал, усиленный электронный поток необходимо сформировать и направить на анод, при этом выводы электродов будут располагаться в зоне поля высокого напряжения и, как оказалось, такой прибор работать в сильном электрическим поле не может из-за свечения, разрядов и прочих явлений, возникающих в сильном электрическом поле в присутствии других проводников.
Для того, чтобы освободить анодное пространство от выводов электродов предложено развернуть выводы электродов ФЭП на 180°, дополнительно изготовить фотокатодную камеру с входным окном, на котором расположен фотокатод, разместив ее внутри окружности наружных выводов, чтобы сохранить габариты и форму прибора. При этом такая конструкция ФЭП позволила разместить правильно внутри камеры источники сурьмы и щелочных металлов, таким образом, чтобы процессы огневой заварки баллона и других высокотемпературных операций не повредили качества тех элементов, от которых зависит процесс изготовления главного фоточувствительного электрода - фотокатода, и не потерять коэффициент усиления умножительной системы. Кроме того, конструкция фотокатодной камеры предусматривает защиту выводов электродов от напыления сурьмы и щелочных металлов, что могло создать проводящие пленки между электродами. Таким образом, такая конструкция катодного узла позволяет при сохранении компактности прибора осуществить поставленную задачу.
Еще одним отличием является то, что фотоэлектронный преобразователь содержит систему фокусировки потока фото и вторичных электронов, которая позволяет сформировать и эффективно управлять электронным потоком для получения нужных параметров прибора.
На чертеже схематически представлен чертеж рентгеновской трубки с заявляемым катодным узлом.
В качестве примера конкретного выполнения рассмотрим катодный узел рентгеновской трубки.
Рентгеновская трубка, представленная на чертеже, состоит из катодного узла, представляющего собой ФЭП (1), герметичного корпуса (2) и анода (3).
ФЭП состоит из:
- Фотокатодной камеры (4), которая представляет собой стеклянный цилиндр длиной 20 мм и диаметром 22 мм, на торце которого через коваровое кольцо (5) герметично вварено входное окно из оптического стекла, на внутренней поверхности которого нанесен фотокатод (6). Внутри цидиндра расположены фокусирующий и ускоряющий электроды, два испарителя сурьмы, расположенные определенным образом, источники калия и цезия (на рисунке не показаны). Цилиндр фотокатодной камеры (4) вварен в стеклянный диск диаметром 42-44 мм. Вокруг цилиндра на диаметре 34 мм в стеклянный диск вварены 20 коваровых выводов (7), которые служат для соединения электродов, расположенных внутри герметичного объема, с источниками питания снаружи (выводы показаны только с наружной стороны).
- Динодной системы (8), которая служит усилению потока фотоэлектронов. Нами выбрана жалюзийная система из 12-ти динодов на основе бронзы Cu-Al-Mg. Тип жалюзи выбран от умножителя, рассчитанного для больших токов.
- Система электродов (9), формирующих выходной электронный поток, позволяющая получить необходимый регулируемый фокус на аноде трубки.
Работа катодного узла, включающего ФЭП, заключается в следующем.
Подают напряжение питания на электроды: фотокатод (6), фокусирующий и ускоряющий электроды (не показаны), диноды (7), выходные формирующие электроды (9). Общее напряжение питания фотоумножительной части катодного узла составляет порядка 1000-2000 В.
Другой источник питания подает высокое (10-50кВ) напряжение между выходными электродами и анодом (3).
Под воздействием света фотокатод (6) эмитирует поток электронов, который формируется электрическим полем фокусирующего и ускоряющего электродов и попадает на первый динод жалюзийной умножительной системы (7). Затем происходит покаскадное умножение электронов, после 12-го динода получаем усиленный поток электронов, который попадает под действие поля системы фокусирующих электродов (9) и ускоряется полем анода (3).
Ниже приведены результаты измерений параметров фотоумножительной части фоторентгеновских трубок, показывающие возможность получения нормальных фотоэлектрических параметров в данной конструкции катодного узла:
Световая чувствительность фотокатода, мкА/лм
100÷219
Коэффициент усиления при напряжении 1600 В, раз
(0,2÷7)·10<sup>6</sup>
Темновой ток, А
(1÷20)·10<sup>-9</sup>
Проведены испытания нескольких макетов ФРТ в режиме ФЭУ при токах 1000 мкА. Результаты испытаний показали способность катодного узла работать при больших токах.
Разработанная конструкция катодного узла с развернутыми выводами и системами фокусировки, включающего ФЭП, позволила сделать рентгеновскую трубку, способную работать при напряжениях до 50 кВ, получить электронный пучок с фокусом необходимого размера и спектр рентгеновского излучения.
Рентгеновская трубка с предложенным катодным узлом может обеспечить работу в импульсном и непрерывном режимах, стабильность выходного сигнала в непрерывном режиме за счет обратной связи по управлению источником света, долговечность, быстродействие, малую мощность потребления.
Заявляемый катодный узел может использоваться и в других типах электровакуумных приборов, работающих при высоких напряжениях.