Генератор импульсного рентгеновского излучения

Изобретение относится к источникам импульсного рентгеновского излучения, предназначенным для использования в медицине, для решения задач рентгенодиагностики, рентгенотерапии, в различных технологических процессах, в частности для дефектоскопии, а также в научных исследованиях. Генератор импульсного рентгеновского излучения содержит рентгеновскую трубку, катод и анод которой выполнены точечными, с площадью рабочей поверхности не более 10^-6 м², при этом расстояние между катодом и анодом заданы не менее 10^-3 м, и генератор высоковольтных импульсов напряжения, в котором высоковольтный сильноточный формирователь импульсов выполнен в виде высоковольтного сильноточного вакуумного либо газоразрядного коммутатора, в состав которого включен электрод, управляющий запуском коммутатора, в цепь управляющего электрода включен дополнительный высоковольтный фильтр. Технический результат: получение высокоинтенсивного пучка импульсного рентгеновского излучения с линейными размерами фокусного пятна рентгеновского излучателя 0.1-0.5 мм, с возможностью регулирования энергии рентгеновских квантов в пределах 20-150 кэВ и длительностью импульса рентгеновского излучения ˜1.0^-8-1.0^-6 c, при малых габаритах рентгеновской трубки. 1 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к источникам импульсного рентгеновского излучения, предназначенным для использования в различных технологических процессах, в частности для дефектоскопии, а также в медицине и научных исследованиях.

Известно устройство для генерации импульсного рентгеновского излучения (XR 150), состоящее из импульсной рентгеновской трубки и генератора импульсных напряжений, с длительностью рентгеновского излучения 60 нс и фиксированной энергией рентгеновских квантов 150 кэВ. Линейный размер фокусного пятна рентгеновского излучателя составляет 2,2 мм (US, XTEK, www.xtek.net).

Невозможность регулирования длительности импульса рентгеновского излучения и энергии рентгеновских квантов наряду с большим линейным размером фокусного пятна существенно ограничивают возможности данного устройства, в частности, в области рентгеновской дефектоскопии и медицинской рентгенодиагностики из-за больших линейных размеров фокусного пятна, задающего разрешающую способность устройства.

Известен генератор импульсного рентгеновского излучения, в состав которого входит импульсная рентгеновская трубка и генератор высоковольтных импульсных напряжений. Данное устройство позволяет получать рентгеновские импульсы с фиксированной энергией рентгеновских квантов, определяемой импульсным напряжением 200 кВ, ускоряющим электронный пучок в рентгеновской трубке. Длительность импульсов излучения составляет ˜10^-9 с, линейный размер фокусного пятна рентгеновского излучения 2 мм. Рентгеновская трубка представляет собой двухэлектродную систему - вакуумный высоковольтный диод с катодом в виде плоского диска и анодом в виде конусообразного протяженного стержня. Генератор высоковольтного импульсного напряжения состоит из первичного накопителя энергии с низковольтным коммутатором, импульсного высоковольтного трансформатора, вторичного накопителя и высоковольтного коммутатора в виде двухэлектродного газового разрядника (патент РФ №2095947, H 05 G 1/06, H 01 J 35/00, опубл. 10.11.1997 г.).

Рассмотренное устройство имеет ряд существенных недостатков: конструкция рентгеновской трубки и физические свойства сформированного в ней электронного пучка таковы, что не позволяют создавать импульс рентгеновского излучения длительностью более 10^-8 с, значительно ограничивая регулирование времени импульсного излучения; линейный размер фокусного пятна рентгеновского излучателя не менее 2 мм; энергия рентгеновских квантов не регулируется. Генератор импульсных напряжений не имеет оперативного и автономного устройства запуска высоковольтного коммутатора, что не позволяет эффективно синхронизировать работу генератора с работой других устройств.

Настоящее устройство выбрано за прототип.

В основу изобретения положена задача получения высокоинтенсивного пучка импульсного рентгеновского излучения с линейными размерами фокусного пятна рентгеновского излучателя 0.1 - 0.5 мм, с возможностью регулирования энергии рентгеновских квантов в пределах 20-150 кэВ и длительностью импульса рентгеновского излучения ˜10^-8-10^-6 с, а также уменьшения габаритов рентгеновской трубки.

Решение вышеуказанной задачи обеспечивается тем, что в генераторе импульсного рентгеновского излучения, который состоит из рентгеновского излучателя - рентгеновской трубки, содержащей вакуумно-плотный электроизолирующий корпус, в вакуумном объеме которого располагают высоковольтную диодную систему с катодом, закрепленным с электрическим контактом на высоковольтном вводе и установленном напротив анода-мишени с окном для вывода рентгеновского излучения из вакуумного объема и генератора высоковольтных импульсов напряжения, состоящего из высоковольтного источника напряжения с накопительной электрической емкостью и высоковольтного сильноточного формирователя импульсов, в предлагаемой рентгеновской трубке катод и анод выполнены точечными, с площадью рабочей поверхности не более 10^-6 м², при этом расстояние между катодом и анодом заданы не менее 10^-3 м, а в генераторе высоковольтных импульсов напряжения высоковольтный сильноточный формирователь импульсов выполнен в виде высоковольтного сильноточного вакуумного либо газоразрядного коммутатора, в состав которого включен электрод, управляющий запуском коммутатора, при этом в цепь управляющего электрода включен дополнительный высоковольтный фильтр.

Решение поставленной задачи обеспечивают указанные отличия.

Использование точечных катода и анода с жестко ограниченными рабочими поверхностями обеспечивают импульсный электронный ток на анод ˜10-10² А и задает электронный пучок с плотностью тока на аноде ˜10³-10⁵ А/см². При указанных ускоряющих напряжениях 20-150 кВ на аноде-мишени выделяется импульсная мощность - 10⁵-10⁷ Вт, позволяющая получать дозу рентгеновского излучения за один импульс не менее 0,5 Р.

Конструкция предлагаемой диодной системы, прежде всего длина промежутка катод - анод ˜10^-4-10^-2 м дает возможность работать с импульсными напряжениями в указанных пределах 20-150 кВ.

Предельно ограниченная рабочая площадь анода-мишени задает минимальную площадь фокусного пятна рентгеновского излучателя.

Применяемая геометрия диодной системы совместно с точечной конструкцией катода и анода создают возможность устойчивой работы устройства в широком диапазоне импульсных напряжений ˜10^-8-10^-6 с.

Сверхмалые размеры рабочих элементов рентгеновской трубки обеспечивают небольшие габариты рентгеновского излучателя, который одновременно имеет простую, технологичную и надежную конструкцию.

Рентгеновская трубка состоит из двух электродов - катода и анода-мишени, а также окна, прозрачного для рентгеновского излучения. На аноде-мишени энергия электронного пучка, источником которого является катод, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Система анод - катод находится в вакуумной колбе из электроизолирующего материала, что обеспечивает электрическую изоляцию катода от анода. Катод закреплен на высоковольтном вводе и гарантирует эффективную работу рентгеновской трубки при давлении остаточных газов в вакуумной колбе ˜10^-3-10^-4 Торр. Низкий рабочий вакуум также упрощает технологию изготовления трубки. Предлагаемый рентгеновский излучатель не нуждается в системе охлаждения анода-мишени. Испытания устройства при максимальных интенсивностях рентгеновского излучения показали, что при ресурсе эксплуатации 10⁴ импульсных включений разрушения мишени не происходит.

Конструкция предлагаемой импульсной рентгеновской трубки схематически изображена на чертеже, согласно которому она содержит диэлектрический изолирующий корпус (колбу) 1, например, из стекла или керамики, внутренний объем которого вакуумируется. В вакуумный объем помещены катод 2 и напротив катода анод-мишень 3. Катод закреплен с электрическим контактом на высоковольтном электрическом вводе 4. Анод-мишень закреплен на электрическом вводе 5. Электрические вводы 4 и 5 выведены из вакуумного корпуса 1 без нарушения вакуумных условий. В области рабочей поверхности анода-мишени, в стенке вакуумного корпуса создано окно 6 из вакуумно-плотного материала, например из бериллия, стекла или алюминия, прозрачного для рентгеновского излучения. Анод-мишень выполнен из электропроводящего материала и выполняет одновременно с анодной функцию преобразователя энергии электронного пучка в энергию рентгеновского излучения. К внешней по отношению к корпусу 1 части высоковольтного ввода 3 подключается генератор импульсного напряжения. Анодный ввод 4 заземлен.

Генератор импульсного напряжения, блок-схема которого приведена на чертеже, состоит из высоковольтного блока питания I, сильноточного высоковольтного коммутатора II и блока генерации импульсов запуска III коммутатора II. Высоковольтный блок питания I включает в себя источник постоянного высокого напряжения 20-150 кВ, работающий от сети переменного или постоянного напряжения 12-220 В, и заряжаемую источником высоковольтную накопительную емкость. Сильноточный высоковольтный коммутатор II представляет собой вакуумный или газоразрядный прибор, рассчитанный на управляемую коммутацию токов силой не менее 100 А, с напряжением пробоя в отсутствие внешнего запуска не менее 200 кВ. Время коммутации 10^-8-10^-6 с. Управляемая коммутация обеспечивается генератором импульса запуска 3, подключенного к управляющему электроду коммутатора II. Для исключения пробоя генератора импульса запуска III высоковольтным импульсом, возникающим в процессе коммутации на управляющем электроде коммутатора II, в цепь, соединяющую генератор III с управляющим электродом, включен индуктивно-емкостной фильтр IY.

Работа предлагаемого генератора импульсного рентгеновского излучения состоит в следующем.

На точечный катод 1 рентгеновской трубки через высоковольтный ввод 4 подается высоковольтный импульс напряжения отрицательной полярности с генератора импульсных напряжений. Анод-мишень 2 заземлен. Импульс напряжения вызывает интенсивную электронную эмиссию с катода 1 (эмиссионный ток с катода 10-100 А) и последующее формирование электронного пучка в промежутке анод-мишень 2 - катод 1 в соответствии с геометрией диодного промежутка. Электронный пучок, попадая на рабочую поверхность анода-мишени 2, взаимодействует с материалом мишени, в результате чего происходит генерация рентгеновского излучения, выходящего через окно 6.

Площадь фокусного пятна рентгеновского излучателя определяется площадью сечения взаимодействия электронного пучка с поверхностью мишени.

По конструкции предлагаемого устройства разработан и изготовлен действующий макет. Испытания макета показали его работоспособность и возможность получения указанных выше параметров, что подтверждает соответствие предлагаемой полезной модели критерию "промышленная применимость".

Генератор импульсного рентгеновского излучения, включающий рентгеновский излучатель - рентгеновскую трубку, содержащий вакуумноплотный электроизолирующий корпус, в вакуумном объеме которого расположена высоковольтная диодная система с катодом, закрепленным с электрическим контактом на высоковольтном вводе и установленном напротив анода-мишени, с окном для вывода рентгеновского излучения из вакуумного объема, и генератор высоковольтных импульсов напряжения, состоящий из высоковольтного источника напряжения с накопительной электрической емкостью и высоковольтного сильноточного формирователя импульсов, отличающийся тем, что в рентгеновской трубке катод и анод выполнены точечными, с площадью рабочей поверхности не более 10^-6 м², при этом расстояние между катодом и анодом заданы не менее 10^-3 м, а в генераторе высоковольтных импульсов напряжения высоковольтный сильноточный формирователь импульсов выполнен в виде высоковольтного сильноточного вакуумного либо газоразрядного коммутатора, в состав которого включен электрод, управляющий запуском коммутатора, а в цепь управляющего электрода включен дополнительный высоковольтный фильтр.