Острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка

 

Изобретение относится к рентгеновской технике и может быть использовано в импульсных рентгеновских аппаратах для получения коротких рентгеновских вспышек большой интенсивности для регистрации быстропротекающих процессов в оптически плотных средах, рентгенографии, дефектоскопии, медицинской диагностике и т.д. Техническим результатом является повышение пространственной равномерности, стабильности от выстрела к выстрелу, качества рентгеновского излучения и снижение скорости роста питающего напряжения. Результат достигается за счет того, что на взрывоэмиссионный катод, выполненный в виде шайбы из термостойкого диэлектрика, накладывается гребенка, образованная металлической шайбой, имеющей радиальные прорези, расходящиеся от центра, с внутренним диаметром большим, чем внутренний диаметр диэлектрической шайбы. Кончики зубцов гребенки имеют пружинящие контакты с торцевой плоскостью диэлектрической шайбы, причем контактный узел гребенки с диэлектрической шайбой обращен в сторону выходного окна. Анод выполнен в виде стержня или конуса, оканчивающегося полусферой, и выступает за плоскость сечения, перпендикулярного оси трубки, проходящего через контакты диэлектрической шайбы и гребенки, на расстояние, не превышающее радиуса полусферы. 2 ил.

Изобретение относится к рентгеновской технике и может быть использовано в импульсных рентгеновских аппаратах для получения коротких рентгеновских вспышек большой интенсивности для регистрации быстропротекающих процессов в оптически плотных средах, рентгенографии, дефектоскопии, медицинской диагностике и т.д.

Известна импульсная трехэлектродная рентгеновская трубка, состоящая из анода в виде стержня, заточенного под конус, катода в виде металлической шайбы и поджигающего электрода, расположенного в непосредственной близости от катода [1] . Устройство работает следующим образом. Между анодом и катодом прикладывается высокое постоянное напряжение величиной в сотни киловольт. При приходе импульса высокого напряжения на поджигающий электрод, происходит электрический пробой между катодом и поджигающим электродом. В результате пробоя образуется плазма, которая служит источником электронов. Электроны ускоряются в промежутке между катодом и анодом и тормозятся материалом анода, в результате торможения генерируется рентгеновское излучение. Длительность излучения определяется временем перемыкания диода плазмой и составляет обычно величину менее 100 нс. Недостатком данного устройства является использование поджигающего электрода, для работы которого требуется применение высоковольтного поджигающего генератора, что усложняет конструкцию рентгеновского аппарата. Кроме того, использование высокого постоянного напряжения требует применения больших изоляционных промежутков, на порядок превышающих изоляционные промежутки для наносекундных импульсов. В результате возрастают габариты и масса аппаратуры, усложняется ее обслуживание.

Указанных недостатков лишена двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка, состоящая из анода в виде стержня небольшого диаметра с торцом, заточенным под конус, цилиндрического полого катода, соосно расположенного с анодом и удаленного от него на некотором расстоянии по оси [2]. Торец цилиндрического катода для снижения напряжения возникновения эмиссии электронов заточен так, что толщина стенки составляет несколько микрон. Расстояние до анода и диаметр цилиндра определяются из параметров импульсов высокого напряжения. При приходе импульса высокого напряжения на анод на заточенном конце катодного цилиндра возникает взрывная эмиссия электронов. Образовавшиеся электроны бомбардируют коническую часть анода. В результате торможения электронов в материале анода генерируется рентгеновское излучение, распространяющееся по оси через катод и выходное окно. Действующий рентгеновский фокус на оси установки не превышает диаметра анода, угол расходимости излучения - менее 15^o, рабочее напряжение - не менее 500 кВ. Недостатки данного устройства следующие: а) значительное превышение профильного рентгеновского фокуса над осевым; б) малый угол расходимости излучения; в) высокий уровень рабочего напряжения.

Указанные недостатки приводят к снижению резкости рентгеновских снимков от центра к периферии, уменьшению размеров рентгеновских снимков, уменьшению контраста изображения объектов с низкой рентгеновской плотностью.

Наиболее близким техническим решением является малогабаритная острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка [3]. Трубка состоит из конического анода, катода в виде диска из тантала толщиной 20 мкм с центральным отверстием, кромки которого служат автоэмиттером, токоввода, соединенного с анодом, выходного окна и изоляционного корпуса. Трубка работает аналогично предыдущей, рабочее напряжение трубки 120 - 200 кВ, угол расходимости излучения более 60^o. Для обеспечения максимального рентгеновского выхода высота выступающей за плоскость катода конической части анода должна составлять 6-12 мм. При высоте меньше некоторой величины нормальная работа трубки нарушается, появляется большая нестабильность излучения от импульса к импульсу и после определенного числа включений интенсивность излучение падает до нуля. При оптимальных зазорах стабильная генерация рентгеновского излучения начинается при скорости нарастания напряжения на трубке 10¹⁴ В/с. Недостатками описанного устройства являются: а) амплитудная и пространственная нестабильность рентгеновского излучения, обусловленная большой нестабильностью тока электронов взрывной эмиссии с металлического катода и образованием одного центра эмиссии, место положения которого мигрирует от выстрела к выстрелу; б) значительное увеличение эффективного рентгеновского фокуса при удалении от оси трубки, обусловленное большой длиной выступающей части анодного конуса за пределы плоскости катода; в) необходимость обеспечения высокой скорости нарастания напряжения на трубке для получения взрывной эмиссии электронов с металлического катода.

Указанные недостатки приводят к тому, что: а) удовлетворительное качество рентгеновских снимков можно получить только при пленочной регистрации и экспозиции пленки десятками и сотнями импульсов, т.е. работать в режиме накопления, когда флуктуации излучения от импульса к импульсу усредняются; б) невозможно использовать трубку в рентгеноскопическом режиме, например, в рентгенотелевизионных системах, когда необходимо формировать качественное рентгеновское изображение в пределах одного телевизионного кадра, т.е. за время 20 - 40 мс; в) резкость изображения падает от центра к периферии; г) необходимость обеспечения высокой скорости нарастания напряжения приводит к повышенным требованиям к генератору высокого напряжения для питания трубки.

Целью настоящего изобретения является повышение пространственной равномерности, стабильности от выстрела к выстрелу, качества рентгеновского излучения и снижение скорости роста питающего напряжения.

Указанная цель достигается за счет того, что в острофокусной двухэлектродной импульсной рентгеновской трубке, состоящей из анода, предназначенного для торможения электронного пучка и генерации рентгеновского излучения, дискового взрывоэмиссионного катода для генерации электронного пучка, токоввода для подвода высокого напряжения, герметично изолирующего корпуса с окном для вывода излучения, внутри которого находится вакуум, разделяющий катод и анод, катод выполнен в виде шайбы из термостойкого диэлектрика, на которую накладывается гребенка, образованная металлической шайбой, имеющей радиальные прорези, расходящиеся от центра, с внутренним диаметром большим, чем внутренний диаметр диэлектрической шайбы, имеющая пружинящие контакты кончиков зубцов с торцевой плоскостью диэлектрической шайбы, причем контактный узел гребенки с диэлектрической шайбой обращен в сторону выходного окна, а цилиндрическая или коническая часть анодного стержня оканчивается полусферой и выступает за плоскость сечения, перпендикулярного оси трубки, проходящего через контакты диэлектрической шайбы и гребенки, на расстояние, не превышающее радиуса полусферы, выбранного из требуемых размеров рентгеновского фокуса.

На фиг. 1 а приведен вариант предлагаемого устройства, на фиг. 1б отдельно показан диодный узел. Трубка состоит из цилиндрического стержневого анода 1 диаметром d, выполненного из материала с большим атомным номером. Торец анода оканчивается полусферой. При необходимости иметь меньший размер рентгеновского фокуса, торец анода выполняют в виде усеченного конуса с полусферическим окончанием. Катод состоит из диэлектрической шайбы 2, на которую накладывается металлическая гребенка 3 таким образом, что кончики зубцов гребенки имеют пружинящий контакт с торцевой плоскостью диэлектрической шайбы. Торец анода выступает за плоскость диэлектрической шайбы, на которой установлена гребенка на расстояние h ≅ r, где r - радиус полусферы. Катодный узел укреплен в металлическом стакане, вмонтированном в заземленный фланец 4 трубки. На этом же фланце установлено окно 5 для вывода рентгеновского излучения. Фланец 4 имеет герметичное соединение с цилиндрическим корпусом 6 трубки. На противоположном конце корпуса установлен высоковольтный фланец 7, соединенный с токовводом 8. На токовводе укреплены анод 1, штенгель 9 для вакуумирования трубки, гетеры 10 для поддержания высокого вакуума.

Устройство работает следующим образом. При приходе импульса высокого напряжения на анод возникает высокая напряженность электрического поля в области сильноточного диода. В месте контакта металлических зубцов с диэлектрической шайбой происходит значительное усиление напряженности электрического поля, т.к. потенциал проводящей металлической гребенки равен нулю, а потенциал непроводящей диэлектрической шайбы отличен от нуля. Таким образом, из-за высокой напряженности электрического поля в месте контакта, возникает разряд в микрозазорах между металлом и диэлектриком, происходящий с образованием плазмы. Плазма является эмиттером электронов. Уровень и скорость подъема напряжения, при котором возникает разряд, на порядок ниже, чем требуемые уровень и скорость подъема напряжения возникновения взрывной эмиссии электронов при отсутствии диэлектрика. Поскольку такой пробой не замыкает основные электроды, т.е. является частичным, то для его образования требуется незначительная энергия. Низкий уровень напряжения и энергии, необходимые для возникновения частичного разряда, позволяют создать разряд в каждой точке контакта металла с диэлектриком. Таким образом, на поверхности диэлектрической шайбы возникает несколько источников электронов, равномерно расположенных по окружности. Под действием электрического поля электроны ускоряются и бомбардируют анод. Зарождение множества центров эмиссии, симметрично расположенных относительно анода, позволяет добиться пространственной равномерности излучения, хорошего его повторения от импульса к импульсу. Поскольку распространение электронов ограничено поверхностью диэлектрической шайбы, то бомбардировке подвергается только сферическая часть анода, что гарантирует незначительное изменение действующего рентгеновского фокуса в центре и на периферии снимка.

Были проведены сравнительные испытания промышленной рентгеновской трубки ИМА-6, изготовленной отпаянной рентгеновской трубки с металлическими электродами и заявляемой отпаянной рентгеновской трубки. Рентгеновское излучение конвертировалось в видимое с помощью люминесцентного экрана ZnS - CdS•Ag и регистрировалось ПЗС-матрицей, соединенной с персональным компьютером. Программы обработки позволяли фиксировать интенсивность и распределение излучения для каждого полученного кадра. Рентгеновская трубка ИМА-6 предназначена для работы при уровнях напряжения U = 120-180 кВ и скорости нарастания напряжения на фронте импульса t_ф = 0.5-1 • 10¹⁴ В/с. В испытаниях при U = 140 кВ и t_ф = 5•10¹² В/с трубка работала нестабильно. Нестабильность заключалась в изменении интенсивности излучения от импульса к импульсу как по уровню, так и в пространстве. При этом более чем в 60% случаях происходили пропуски в генерации излучения. Результаты испытания заявляемых рентгеновских трубок приведены на фиг. 2. Точками обозначены средние относительные интенсивности излучения рентгеновской трубки за серии из 30 импульсов после определенного числа тысяч импульсов. Символом □ обозначены интенсивности рентгеновского излучения отпаянной трубки с катодом в виде металлической шайбы, а символом • - интенсивности излучения трубки предлагаемой конструкции. По оси абсцесс отложено количество тысяч импульсов между сериями измерений. Наличие генерации излучения между измерениями регистрировалось рентгенотелевизионной системой. Интервалами обозначены среднеквадратичные отклонения интенсивности излучения в каждой серии. Видно, что разброс по уровню интенсивности излучения предлагаемой конструкции существенно меньше, чем у трубки с катодом в виде металлической шайбы. После 10 тыс. импульсов интенсивность излучения отпаянной трубки с катодом в виде металлической шайбы упала до значений, находящихся ниже предела чувствительности регистрирующей аппаратуры, а трубка предлагаемой конструкции на момент испытания выдержала более 100 тыс. и продолжает стабильно работать.

Литература 1. Г. Томер. Физика быстропротекающих процессов. М.: Мир, 1971, с. 340.

2. В. А. Цукерман, М. А. Монакова. Источники коротких рентгеновских вспышек для исследования быстропротекающих процессов. // ЖТФ, 1957, т. 27, N 2, с. 43-57.

3. Э.-Г. В. Александрович, Н.В. Белкин, Н.А. Дронь, Г.Н. Слоева. Малогабаритная импульсная рентгеновская трубка. // ПТЭ, 1974, N 5, с. 189-190.

Формула изобретения

Острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка, состоящая из анода, предназначенного для торможения электронного пучка и генерации рентгеновского излучения, дискового взрывоэмиссионного катода для генерации электронного пучка, токоввода для подвода высокого напряжения, герметичного изолирующего корпуса с окном для вывода излучения, внутри которого находится вакуум, разделяющий катод и анод, отличающаяся тем, что катод выполнен в виде шайбы из термостойкого диэлектрика, на которую накладывается гребенка, образованная металлической шайбой, имеющей радиальные прорези, расходящиеся от центра, с внутренним диаметром большим, чем внутренний диаметр диэлектрической шайбы, имеющая пружинящие контакты кончиков зубцов с торцевой плоскостью диэлектрической шайбы, причем контактный узел гребенки с диэлектрической шайбой обращен в сторону выходного окна, а цилиндрическая или коническая часть анодного стержня оканчивается полусферой и выступает за плоскость сечения, перпендикулярного оси трубки проходящего через контакты диэлектрической шайбы и гребенки, на расстояние, не превышающее радиуса полусферы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2