Импульсная рентгеновская трубка

Изобретение относится к импульсным рентгеновским трубкам с взрывной эмиссией, предназначенным для использования в малогабаритных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии металлоконструкций, а также для регистрации быстропротекающих процессов с временем развития порядка 10^-9-10^-8 с. Импульсная рентгеновская трубка содержит металлический корпус в виде цилиндрического стакана, соединенное с корпусом окно для вывода рентгеновского излучения, выполненное из металла, обладающего свойствами газопоглотителя, мишень, расположенную в корпусе на расстоянии от окна, и изолирующий элемент с катодом. Корпус трубки выполнен из металла с высокой теплопроводностью, например меди, при этом мишень расположена на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а окно выполнено в виде шарового сегмента или полушара, край которого охватывает дно цилиндрического стакана. Технический результат: высокая долговечность при обеспечении высоких рентгенотехнических параметров. 1 ил.

 

Изобретение относится к импульсным рентгеновским трубкам с взрывной эмиссией, предназначенным для использования в малогабаритных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии металлоконструкций, а также для регистрации быстропротекающих процессов с временем развития порядка 10^-9-10^-8 с.

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, большим, 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 h=r, где r - радиус 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, 10.10.2001 г.].

Такая конструкция позволяет обеспечить пространственную равномерность излучения, стабильного его повторения от импульса к импульсу, что достигается множеством источников электронов, равномерно расположенных по окружности в местах касания металлических зубцов гребенки с диэлектрической шайбой, где при подаче напряжения возникает высокая напряженность электрического поля, что вызывает разряд в микрозазорах между металлом и диэлектриком. Недостатком данной рентгеновской трубки является ее небольшой срок службы при работе в импульсных аппаратах для дефектоскопии металлоконструкций с ухудшением рентгенотехнических характеристик в процессе работы (фокусное пятно увеличивается, а интенсивность излучения падает). Это связано с отсутствием хорошего теплоотвода с анода, так как рентгеновская трубка выполнена в металлостеклянном оформлении 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 (в 20 раз меньше, чем у меди). Поэтому при длительной работе наблюдается сильный перегрев анода, который усиливает эрозию материала анода и тем самым ухудшает рентгенотехнические параметры прибора. В данной конструкции имеется газопоглотитель, который работает неэффективно из-за низкой его температуры, так как установлен он далеко от разрядного промежутка, в низкотемпературной области прибора, а высокая температура анода из-за низкой теплопроводности используемых материалов не передается к газопоглотителю. Кроме того, рентгеновская трубка имеет большие габаритные размеры, не позволяющие согласовать ее с элементами генератора высокоимпульсных импульсов с субнаносекундным фронтом, что значительно снижает выходные рентгенотехнические характеристики.

Известна импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус с прострельной мишенью из металла с большим атомным номером, расположенной на внутренней поверхности окна для вывода рентгеновского излучения, катод и изолирующий элемент из стекла в виде полого усеченного конуса, основание которого припаяно к корпусу [Александрович Э.-Г.В., Белкин Н.В., Канунов М.А., Разин А.А. Малогабаритная импульсная рентгеновская трубка с самовосстанавливающимся автокатодом. Сб. Физика и техника импульсных источников ионизирующих излучений для исследования быстропротекающих процессов. / Под ред. Макеева Н.Г. - Саров, ВНИИЭФ, 1996 г., с.251].

Данная рентгеновская трубка имеет высокий импеданс (100-200 Ом) за счет сравнительно больших размеров межэлектродного промежутка. Она нашла применение в импульсных рентгеновских аппаратах серии «Аринам, «Пион» и других для рентгенографирования металлоконструкций толщиной не более 20 мм. При увеличении средней мощности в рентгеновской трубке происходит перегрев и, как следствие, выход из строя вплоть до сквозного прожога ее оболочки из-за перегрева мишени, имеющей плотный контакт с окном оболочки. Долговечность такой рентгеновской трубки ограничена и зависит от режима ее работы. В этой рентгеновской трубке, как и в предыдущем случае, не решен вопрос теплоотвода от мишени, имеющей плотный контакт с оболочкой (окном) прибора. Так как конструкция рентгеновской трубки выполнена в металлостеклянном оформлении, то оболочка изготавливается из прецизионного сплава, имеющего КЛТР, практически одинаковый со стеклом, и низкий коэффициент теплопроводности. Кроме того, в рентгеновской трубке из-за газовыделений в процессе работы происходит ухудшение вакуума, что также снижает срок службы и ухудшает рентгенотехнические параметры.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде цилиндрического стакана, соединенное с корпусом окно для вывода рентгеновского излучения, выполненное из материала, обладающего свойствами газопоглотителя, мишень, расположенную в корпусе на расстоянии от окна, и внутренний изолирующий элемент с катодом [Патент РФ №2160480, H01J 35/00, H01J 35/02, H05G 1/02, 10.12.2000 г. - прототип].

Указанная рентгеновская трубка, имеющая низкий импеданс из-за малых габаритных размеров, используется в медицине для внутриполостных облучений мягким рентгеновским излучением с энергией квантов 50-100 кэВ. К недостаткам такой рентгеновской трубки следует отнести: низкий срок службы из-за плохого теплоотвода с анода и неэффективной работы газопоглотителя, малый угол раскрыва диаграммы направленности рентгеновского излучения, так как корпус рентгеновской трубки закрывает ее фокус, а окно удалено от мишени и имеет форму плоскости. Окно рентгеновской трубки выполнено из материала, обладающего свойствами газопоглотителя (титана). Однако в результате того, что окно отделено от мишени материалом с низкой теплопроводностью, температура окна недостаточна для обеспечения эффективного газопоглощения в процессе работы прибора. Этот недостаток ограничивает долговечность и ухудшает рентгенотехнические характеристики.

Задачей данного изобретения является создание импульсной рентгеновской трубки с высокой долговечностью при обеспечении высоких рентгенотехнических параметров.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной импульсной рентгеновской трубке, содержащей металлический корпус в виде цилиндрического стакана, соединенное с корпусом окно для вывода рентгеновского излучения, выполненное из металла, обладающего свойствами газопоглотителя, мишень, расположенную в корпусе на расстоянии от окна, и изолирующий элемент с катодом, корпус выполнен из металла с высокой теплопроводностью, например меди, при этом мишень расположена на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а окно выполнено в виде шарового сегмента или полушара, край которого охватывает дно цилиндрического стакана.

Увеличение долговечности с обеспечением высоких рентгенотехнических характеристик в данной конструкции импульсной 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, например меди, а также за счет повышения эффективности газопоглощения в процессе работы путем обеспечения контакта окна, выполненного из материала, обладающего свойствами газопоглотителя, с наиболее разогреваемой частью корпуса, способствующего быстрому разогреву материала газопоглотителя, и выбора формы окна в виде шарового сегмента или полушара, значительно увеличивающего площадь газопоглотителя.

Кроме того, расположение мишени внутри шарового сегмента или полушара увеличивает раскрыв диаграммы направленности и создает более равномерное пространственное распределение интенсивности излучения.

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 повышена долговечность импульсной рентгеновской трубки за счет изготовления ее корпуса, выполненного в виде цилиндрического стакана, из материала с высокой теплопроводностью, например меди, расположения мишени на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана и выполнения окна для вывода рентгеновского излучения в виде шарового сегмента или полушара, край которого охватывает дно цилиндрического стакана.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» по действующему законодательству.

Заявленное изобретение поясняется чертежом.

На чертеже показан один из вариантов предлагаемой импульсной рентгеновской трубки.

Импульсная рентгеновская трубка (см. чертеж) содержит металлический корпус 1 в виде цилиндрического стакана из меди, на дне 2 которого с внутренней стороны по оси трубки закреплена мишень 3, являющаяся анодом из материала с большим атомным номером, например тантала, катод 4, выполненный в виде тонкой трубки из материала с большим атомным номером, соединенный с выводом 5, проходящим через изолирующий элемент 6 в виде полого усеченного конуса, обращенного внутрь металлического корпуса 1, окно 7 для вывода рентгеновского излучения, выполненное из титана в виде шарового сегмента, край которого охватывает дно 2 цилиндрического стакана корпуса 1. Верхнее основание изолирующего элемента 6 соединено с выводом 5, нижнее - с кромкой цилиндрического стакана корпуса 1. Для откачки рентгеновской трубки в выводе 5 сделано осевое отверстие и предусмотрен штенгель 8. После откачки рентгеновской трубки до требуемой степени вакуума проводят холодный отпай штенгеля 8 с последующей фиксацией скуса.

Импульсная рентгеновская трубка работает следующим образом.

При подаче высоковольтного импульса напряжения на катод 4 (анод 3 при этом заземлен) в межэлектродном пространстве создается высокая напряженность электрического поля, вызывающая взрывную эмиссию электронов с микроострий катода 4 с образованием потока электронов, двигающихся к аноду 3 (мишени). При соударении электронов с мишенью и их торможении происходит генерация рентгеновского излучения. В процессе работы рентгеновской трубки происходит сильный разогрев мишени. Изготовление корпуса рентгеновской трубки из меди, обладающей высокой теплопроводностью, позволяет снизить локальный разогрев мишени в ее фокусе, что значительно снижает эрозию материала мишени и тем самым способствует увеличению долговечности.

Расположение окна рентгеновской трубки из титана, являющегося хорошим газопоглотителем, на корпусе таким образом, что край окна охватывает дно цилиндрического стакана с расположенной на нем мишенью, имеющей максимальную температуру разогрева в процессе работы, создает условия для повышения температуры окна-газопоглотителя, увеличивая эффективность процесса газопоглощения, что также увеличивает долговечность рентгеновской трубки.

При выполнении окна в виде шарового сегмента или полушара рентгеновские лучи, исходящие из фокуса, проходят через окно практически перпендикулярно его поверхности и имеют практически одинаковое затухание во всех направлениях угла раскрыва диаграммы направленности излучения.

На основе заявленного изобретения разработана импульсная рентгеновская трубка ИРТП-240. Испытания рентгеновской трубки проводились в серийно выпускаемом аппарате «Арина-7» при напряжении на трубке U=200 кВ, емкости С=50 пФ и частоте импульсов f=10 Гц. В течение 10⁷ импульсов интенсивность рентгеновского излучения, измеренного по методике на аппарат «Арина-7», после просвечивания стали толщиной 45 мм и фокусное пятно практически не изменились и составили соответственно 70 мР и 2,5 мм. Ресурс же рентгеновской трубки ИМА-5-320Д составляет менее 10⁶ импульсов, а диаметр его фокусного пятна изменяется в процессе наработки от 2,5 до 8 мм. Рентгеновская трубка ИМА-2-150Д в таком режиме работает не более 2 часов, так как происходит разгерметизация рентгеновской трубки из-за прожога мишени с оболочкой электронным пучком. Кроме того, раскрыв диаграммы направленности разработанной импульсной рентгеновской трубки достаточно широк (порядка 130°) практически с одинаковым уровнем рентгеновского излучения, что дает возможность для панорамного просвечивания металлоконструкций.

Испытания разработанной импульсной рентгеновской трубки показали, что по сравнению с серийно выпускаемыми рентгеновскими трубками ИМА-5-320Д, ИМА-2-150Д она обладает более высокими рентгенотехническими характеристиками, а также имеет превышение гарантированной минимальной наработки более чем на порядок.

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с высокими долговечностью и рентгенотехническими характеристиками, используемую в импульсных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии и регистрации быстропротекающих процессов с временным разрешением 10^-9-10^-8 с.

Импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде цилиндрического стакана, соединенное с корпусом окно для вывода рентгеновского излучения, выполненное из металла, обладающего свойствами газопоглотителя, мишень, расположенную в корпусе на расстоянии от окна, и изолирующий элемент с катодом, отличающаяся тем, что корпус выполнен из металла с высокой теплопроводностью, например меди, при этом мишень расположена на внутренней поверхности дна цилиндрического стакана, а окно выполнено в виде шарового сегмента или полушара, край которого охватывает дно цилиндрического стакана.