УПРАВЛЯЕМЫЙ ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к рентгенотехнике, точнее к конструкциям управляемых источников рентгеновского излучения, и может быть использована для исследования динамических, в том числе, быстропротекающих процессов, в рентгеновских системах измерения расстояний и локации объектов, а также передачи информации.
Известен управляемый источник рентгеновского излучения на основе трехэлектродной трубки с автоэмиссионным катодом. В качестве высоковольтного источника питания трубки используется импульсный источник напряжения с емкостным накопителем. Конструкция позволяет регулировать частоту следования импульсов излучения с помощью генератора управляющего сигнала - модулятора. С этой целью сигнал от модулятора подается на управляющий электрод трубки. К недостаткам конструкции относится невозможность регулирования длительности и формы импульсов рентгеновского излучения (Быстрое Ю.А., Иванов С.А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы: учебник для ВУЗов. - М.: Высшая школа, 1983. 234 с).
Известен источник рентгеновского излучения на основе трехэлектродной рентгеновской трубки с термоэмиссионным катодом, который помещен внутрь полого тонкостенного цилиндра, используемого в качестве управляющего электрода. На электрод подается управляющее напряжение отрицательной по отношению к катоду полярности. В торце цилиндра выполнено отверстие для выпуска электронов (Иванов С.А., Щукин Г.Α., Рентгеновские трубки технического назначения. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. 167 с).
Рентгеновская трубка такой конструкции как трехэлектродная электронная лампа имеет низкую крутизну, поэтому для модуляции источника излучения необходимо использовать высоковольтный (от несколько сот вольт до несколько киловольт) управляющий сигнал.
упр
В качестве прототипа выбран источник излучения на основе трехэлектродной рентгеновской трубки с термоэмиссионным катодом и управляющим электродом в виде металлической сетки (Герчиков Ф.Л. Управляемое импульсное рентгеновское излучение в приборостроении - М: Энергоатомиздат. 1987 г. 110 с). Анод трубки заземлен, ускоряющее напряжение отрицательной полярности подается на катод. Питание катода осуществляется через накальный развязывающий трансформатор. В качестве источника ускоряющего напряжения используется высоковольтный источник постоянного напряжения (В ИНН) на основе многокаскадного емкостного умножителя. Управляющее напряжение U от генератора управляющего сигнала подается на управляющий электрод через сеточный развязывающий трансформатор. Такая конструкция позволяет регулировать частоту следования, длительность и форму импульсов рентгеновского излучения. Однако обладает рядом существенных недостатков:
- наличие двух трансформаторов (накального и сеточного), рассчитанных на полное напряжение рентгеновской трубки, усложняет конструкцию источника излучения и снижает надежность его работы за счет появления двух дополнительных высоковольтных элементов в электрической схеме источника;
- наличие емкости сетка-катод в конструкции катодно-сеточного узла рентгеновской трубки при большой амплитуде управляющего (сеточного напряжения), собственных емкости и индуктивности, а также паразитной емкости обмоток сеточного трансформатора, обусловленных особенностями его конструкции, ограничивают максимальную частоту следования и увеличивают (затягивают) фронты импульсов рентгеновского излучения.
Вышесказанное в целом значительно усложняет электрическую схему и конструкцию модулятора и сужает область применения источника в тех устройствах, где частота следования и форма импульсов имеют важное значение, например, при формировании сложно-модулированных сигналов в системах передачи информации.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение конструкции, повышение надежности, а также обеспечения возможности использования источника не только при исследовании динамических процессов, но и в системах передачи информации, например, двоично-цифровым кодом.
Для получения указанного технического результата в управляемый источник рентгеновского излучения, состоящий из рентгеновской трубки, содержащей вакуумный баллон, катод, управляющий электрод и анод, высоковольтного источника питания и генератора управляющего сигнала, дополнительно введен низковольтный источник постоянного напряжения с резистивным делителем напряжения, в баллоне рентгеновской трубки предусмотрено входное оптически прозрачное окно, в качестве катода используется фотокатод, а в качестве управляющего электрода - динодная секция, состоящая из одного или несколько динодов, положительный вывод высоковольтного источника питания подключен к аноду рентгеновской трубки, а отрицательный вывод - к последнему диноду управляющего электрода, положительный вывод низковольтного источника постоянного напряжения также подключен к последнему диноду управляющего электрода, а отрицательный вывод - к фотокатоду, первый динод и последующие диноды подключены к выводам резистивного делителя напряжения, подключенного параллельно выводам низковольтного источника постоянного напряжения, при этом генератор управляющего сигнала выполнен в виде оптического модулятора.
Структурная схема источника показана на фиг. 1.
В его состав источника входят: рентгеновская трубка 1, высоковольтный источник постоянного напряжения (ВИПН) 2, низковольтный источник постоянного напряжения (НИПН) 3 с резистивным делителем напряжения (РДН) 4 (R1, R2 … Rn), генератор управляющего сигнала, выполненный в виде оптического модулятора (M) 5, например, на основе излучающего светодиода. Рентгеновская трубка 1 содержит вакуумный баллон 6, фотокатод 7, управляющий электрод 8 в виде динодной секции (ДС) и анод 9. В баллоне трубки 6 предусмотрено входное оптически прозрачное окно 10. Управляющий электрод 8 выполнен в виде ДС, состоящей из одного или нескольких динодов. Положительных вывод ВИПН 2 подключен к аноду 9 рентгеновской трубки 1, отрицательный вывод - к последнему (верхнему по схеме на фиг. 1) диноду управляющего электрода 8. Положительный вывод НИПН 3 также подключен к последнему (верхнему по схеме на фиг. 1) диноду управляющего электрода 8, отрицательный вывод - к фотокатоду 7. Питание на первый (нижний по схеме на фиг. 1) динод и последующие диноды подается с помощью резистивного делителя напряжения 4, который подключен параллельно выводам НИПН 3.
Заявляемая конструкция управляемого источника рентгеновского излучения работает следующим образом. Оптический модулятор 5 генерирует поток 11 импульсов оптического излучения, которое через входное окно 10 рентгеновской трубки 1 попадает на фотокатод 7. Синхронно импульсам оптического излучения происходит эмиссия фотоэлектронов. Каждый фотоэлектрон, эмитированный при освещении катода, ускоряется и попадает на первый динод управляющего электрода 8, потенциал которого на несколько десятков вольт больше, чем на фотокатоде. Каждый попавший на первый динод фотоэлектрон вызывает эмиссию вторичных электронов, попадающих на второй динод, потенциал которого также на несколько десятков вольт больше, чем у первого (предыдущего) динода. На каждом диноде возможно увеличение количества электронов до 10 раз. Таким образом, ток трубки посредством динодов управляющего электрода 8 увеличивается на несколько порядков. На выходе из динодной секции поток электронов ускоряется полем анода 9, на который подано напряжение положительной полярности от источника 2. Ускоренные электроны направляются на анод 9 и генерируют импульсы рентгеновского излучения.
На фиг. 2 представлены эпюры сигналов на выходе приемника рентгеновского излучения, выполненного на основе сцинтилляционного счетчика, где эпюры электрических сигналов на выходе сцинтилляционного счетчика (кривая 1) и на входе оптического модулятора (кривая 2): а - часто следования входных импульсов f=1 кГц, б-f=50 кГц, в-f=300 кГц, г-f=1 MГц.
Эпюры позволяют оценить форму и частоту следования импульсов излучения, генерируемых заявляемым источником.
Благодаря отсутствию развязывающего сеточного трансформатора, величины паразитных элементов электрической схемы в цепи управляющего электрода минимальны, поэтому предлагаемая конструкция обеспечивает существенно меньшую длительность фронтов и большую частоту следования импульсов рентгеновского излучения.
При частоте следования 1 кГц длительность фронта составляет менее 1%. Максимальная частота следования импульса, при которой обеспечивается допустимая длительность фронта менее 10% от длительности импульса составляет 1 МГц. Дополнительное искажение формы выходных импульсов обусловлено временем нарастания интенсивности излучения светодиода (около 250 нс) и временем послесвечение кристалл-сцинтиллятора счетчика (около 250 нс).
При этом мощность, потребляемая оптическим модулятором (2-5 Вт), на несколько порядков меньше импульсной мощности (1-10 кВт) управляющего сигнала в прототипе.