Малогабаритный рентгеновский генератор

 

Использование: в рентгенотехнике и может быть использовано при разработке и изготовлении малогабаритных рентгеновских генераторов. Сущность изобретения: достигается повышение КПД за счет обеспечения возможности предварительной подстройки траектории электронного пучка в рентгеновской трубке. Последнее достигается в результате усложнения конструкции по крайней мере одного экранирующего кольца и использования дополнительно двух управляемых делителей напряжения и двух соответствующих средств управления. 4 ил.

Изобретение относится к рентгенотехнике и может быть использовано при разработке и изготовлении малогабаритных рентгеновских генераторов.

Известен рентгеновский генератор, содержащий корпус, в котором расположены трехэлектродная рентгеновская трубка и секционный диодно-конденсаторный умножитель напряжения, выполненный по схеме Кокрофта-Уолтона; умножитель установлен коаксиально с рентгеновской трубкой и выполнен в виде двух диаметрально расположенных повышающей и выравнивающей колонн, каждая секция которых имеет одну точку удвоения напряжения. Недостатком известного генератора являются низкая эксплуатационная надежность и невысокий КПД [1] .

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является малогабаритный рентгеновский генератор, содержащий корпус, в котором расположены трехэлектродная рентгеновская трубка и секционный диодно-конденсаторный умножитель напряжения, выполненный по схеме Кокрофта-Уолтона, при этом диодно-конденсаторный умножитель установлен коаксиально с рентгеновской трубкой и выполнен в виде двух диаметрально расположенных повышающей колонны и выравнивающей колонны, каждая секция которых имеет одну точку удвоения напряжения, а также средства экранирования, выполненные в виде металлических колец, установленных коаксиально рентгеновской трубке, при этом каждое кольцо электрически связано с точкой удвоения напряжения расположенной напротив него секции умножителя напряжения [2] .

Генератор-прототип является малогабаритным, предполагает использование трехэлектродной рентгеновской трубки и обеспечивает возможность работы с напряжениями анода до 100 кВ. Недостатком генератора-прототипа является относительно низкий коэффициент полезного действия; последнее связано с тем, что при сборке и настройке генератора отсутствует возможность точно спроецировать электронный пучок в рентгеновской трубке на мишень анода. В результате уменьшается уровень мощности дозы на выходе генератора и возникают искажения его выходной диаграммы направленности.

Целью изобретения является повышение КПД рентгеновского генератора посредством расширения его функциональных возможностей за счет обеспечения возможности предварительной подстройки траектории электронного луча в рентгеновской трубке.

Цель в известном малогабаритном рентгеновском генераторе, содержащем корпус, в котором расположены трехэлектродная рентгеновская трубка и секционный диодно-конденсаторный умножитель напряжения, выполненный по схеме Кокрофта-Уолтона, при этом диодно-конденсаторный умножитель установлен коаксиально с рентгеновской трубкой и выполнен в виде двух диаметрально расположенных повышающей колонны и выравнивающей колонны, каждая секция которых имеет одну точку удвоения напряжения, а также средства экранирования, выполненные в виде металлических колец, установленных коаксиально рентгеновской трубке, при этом каждое кольцо электрически связано с точкой удвоения напряжения расположенной напротив него секции умножителя напряжения, достигается за счет того, что по крайней мере одно, например n-е, металлическое кольцо средств экранирования снабжено первым и вторым секторными металлическими элементами, умножитель напряжения дополнительно снабжен первым и вторым управляемым делителями напряжения, имеющими каждый по одному управляемому элементу и одной средней точке, и первыми и вторыми средствами управления, при этом первый и второй металлические элементы n-го кольца выполнены электрически изолированными друг от друга и от самого кольца и разнесены на угол 90^о, первые выводы делителей напряжения электрически связаны с точкой удвоения напряжения n-1-й секции умножителя напряжения, вторые выводы делителей напряжения электрически связаны с точкой удвоения напряжения n+1-й секции умножителя напряжения, средняя точка первого делителя напряжения электрически связана с первым элементом n-го металлического кольца, средняя точка второго делителя напряжения электрически связана с вторым элементом n-го металлического кольца, первые средства управления бесконтактно связаны с управляемым элементом первого делителя напряжения, а вторые средства управления бесконтактно связаны с управляемым элементом второго делителя напряжения.

На фиг. 1 приведена упрощенная конструкция малогабаритного генератора; на фиг. 2 приведена схема секций умножителя напряжения, электрически связанных с металлическим экранирующим кольцом и его элементами; на фиг. 3 схематично показано размещение компонентов делителей и средств управления в секциях умножителя напряжения; на фиг. 4 проиллюстрирован принцип управления траекторией электронного пучка в рентгеновской трубке.

Рентгеновский генератор собран в металлическом корпусе 1. Коаксиально с трехэлектродной трубкой 2, установленной внутри корпуса 1 и имеющей три электрода (анод, катод, сетку и накал), расположен секционный диодно-конденсаторный умножитель 3 напряжения, выполненный по схеме Кокрофта-Уолтона в каркасе 4 и состоящий из повышающей 5 и выравнивающей 6 колонн, расположенных диаметрально противоположно друг другу относительно оси трубки 2. Колонны 5, 6 умножителя 3 состоят из ряда секций 7, расположенных последовательно друг за другом вдоль рентгеновской трубки 2, что обеспечивает равномерное возрастание потенциала по направлению от катода к аноду трубки 2 [2] .

Электрическая схема секций 7 (n-1-я, n-я и n+1-я секции) умножителя 3 напряжения показана на фиг. 2. Каждая секция 7 содержит по крайней мере два конденсатора 8, 9 (С1, С2) и два диода 10, 11 (Д1, Д2), соединенных по схеме Кокфорта-Уолтона и обеспечивающих удвоение потенциала каждой секцией 7, при этом каждой секции соответствует одна точка удвоения напряжения, в которой достигается удвоение потенциала по отношению к потенциалу аналогичной точки предшествующей секции.

Умножитель 3 напряжения включает также первый управляемый делитель 12 напряжения, состоящий из последовательно включенных первого резистора 13 (R1), управляемого элемента 15, второго резистора 14 (R 2). При этом первый вывод делителя 12 (вывод резистора R1) электрически связан с точкой удвоения напряжения n-1-й секции 7, а второй вывод делителя 12 (вывод резистора R 2) электрически связан с точкой удвоения напряжения n+1-й секции 7. Кроме того, умножитель 3 напряжения включает второй управляемый делитель 16 напряжения, содержащий последовательно включенные третий резистор 17 (R 3), управляемый элемент 19 и четвертый резистор 18 (R 4). При этом первый вывод делителя 16 (вывод резистора R 4) электрически связан с точкой удвоения напряжения n-1-й секции 7, а второй вывод делителя 16 (вывод резистора R 3) электрически связан с точкой удвоения напряжения n+1-й секции 7.

Умножитель 3 напряжения содержит первые средства 20 управления, бесконтактно связанные с управляемым элементом 15 делителя 12, и вторые средства 21 управления, бесконтактно связанные с управляемым элементом 19 делителя 16. В качестве управляемых элементов 15, 19 могут использоваться фотоприборы с варьируемой величиной сопротивления (например, фототранзисторы или фоторезисторы), а в качестве средств 20, 21 управления могут использоваться светоизлучающие приборы (например, лампочки накаливания или светодиоды с переменной силой свечения). Средства управления и управляемый элемент могут быть совмещены в рамках одного прибора - силового оптрона, что не ведет к выходу за границы объема изобретения. Резисторы R1, R3 могут иметь одинаковые номиналы, меньшие номиналов резисторов R2, R4, что обеспечивает реализацию необходимого диапазона регулировки напряжения на выходах делителей 12, 16. В качестве выходов делителей используются их средние точки; для делителя 12 это точка между элементом 15 и резистором 14, для делителя 16 точка между элементом 19 и резистором 18.

Делители 12, 16 и средства 20, 21 управления конструктивно размещаются в секциях 17 умножителя 3 напряжения (в данном примере в n-й и n+1-й секции, см. фиг. 3). При этом средства 20, 21 управления и соответствующие элементы 15, 19 должны располагаться в секции напротив друг друга, а между ними должен предусматриваться свободный канал (например, при заливке) для осуществления бесконтактного взаимодействия (например, оптического взаимодействия). Кроме того, следует размещать средства 20, 21 управления как можно дальше от остальных элементов секции 7 во-избежание электрического пробоя. Выводы средств 20, 21 управления выводятся посредством проводных соединений на поверхность умножителя 3 напряжения в области катода трубки 2, что обеспечивает возможность простого доступа к средствам управления в процессе настройки.

Между рентгеновской трубкой 2 и каждой секцией 7 умножителя 3 напряжения установлено цилиндрическое металлическое кольцо 22, электрически связанное с точкой удвоения напряжения этой секции 7. Совокупность металлических колец 22 образует средства экранирования рентгеновской трубки 2. В предлагаемом рентгеновском генераторе по крайней мере одно металлическое кольцо 22 (например, n-е) выполняется сложным (см. фиг. 2) и включает дополнительно первый и второй секторные металлические элементы: первый - 23 и второй - 24. Эти элементы электрически изолированы между собой, а также по отношению к самому кольцу 22. Оси элементов 23, 22 разнесены между собой на угол 90^о, а соответствующие им секторные углы составляют порядка 60^о (см. фиг. 2). Первый элемент 23 кольца 22 электрически связан со средней точкой первого делителя 12 напряжения умножителя 3 напряжения. Высокое напряжение, являющееся результатом преобразования умножителем 3 переменного напряжения трансформатора, подается с выхода последней секции 7 умножителя 3 на анод рентгеновской трубки 2, в результате чего обеспечивается формирование высоковольтной (порядка 80-100 кВ) разности потенциалов между анодом и катодом (накалом) трубки 2.

Питание накала трубки 2 осуществляется с помощью внешнего по отношению к генератору низковольтного источника питания (на фиг. 1 не показан). При подаче на управляющий электрод трубки 2 (на сетку) запускающих импульсов напряжения (в условиях подачи анодного и накального напряжений) рентгеновский генератор должен формировать на выходе рентгеновские импульсы с диаграммой направленности, носящей симметричный характер.

На величину амплитуды этих импульсов (т. е. фактически на величину коэффициента полезного действия генератора) и вид диаграммы направленности оказывает существенное влияние характер облучения электронным пучком прострельной мишени анода рентгеновской трубки 2. На практике фокусируемый пучок электронов в рентгеновской трубке иногда не полностью облучает мишень анода, что вызывает снижение амплитуды выходных рентгеновских импульсов и искажение формы диаграммы направленности на выходе рентгеновского генератора. Подобные смещения электронного пучка относительно мишени могут являться внутренне присущими рентгеновской трубке 2 или же возникать в процессе эксплуатации вследствие старения мишени (подобные недостатки не всегда выявляются при выходном контроле трубки на предприятии-изготовителе и могут приводить к необходимости быстрой замены трубок в эксплуатации).

Для устранения указанных недостатков в предлагаемом генераторе используются два (по крайней мере) управляющих электрода (два сегментных металлических элемента 23, 24 кольца 22). Путем подачи на указанные электроды управляющих напряжений, несколько отличающихся от потенциала самого кольца 22 (отличия могут составлять до Δ U= 1кВ), удается обеспечить возможность управления траекторией электронного пучка в трубке 2.

Кольцо 22 используется исключительно для целей экранирования рентгеновской трубки от влияния внешних электростатических полей.

Так, при подаче на кольцо 22 напряжения U_n на управляющий элемент (например, элемент 23) может подаваться напряжение U_n ± Δ U. Это напряжение формируется на выходе первого управляемого делителя напряжения в результате подачи соответствующего воздействия на его управляемый элемент 15. Управляющее воздействие, как правило, формируется схемой, внешней по отношению к генератору, и передается через посредство первых средств 20 управления. Использование упомянутых средств (управляющего электрода, делителя напряжения и средств управления) позволяет осуществить управление траекторией электронного пучка (в необходимых пределах) в одной плоскости трубки 2. Соответственно использование второго управляющего электрода (элемент 24 кольца 22), второго делителя напряжения и вторых средств 21 управления позволяет осуществлять коррекцию траектории электронного пучка в другой плоскости трубки 2 (ортогональной первой плоскости). Обеспечение возможности коррекции траектории электронного пучка по двум координатам позволяет точно спроецировать сфокусированный электронный пучок на мишень анода и на этой основе значительно (на 30-50% ) увеличить амплитуду выходных импульсов генератора (а, следовательно, и величину КПД этого генератора), а также приблизить форму выходной диаграммы направленности к симметричной. Внешние управляющие воздействия, подаваемые на средства 20, 21, могут формироваться как вручную (например, с использованием регулируемых источников постоянного тока при осуществлении первоначальной настройки генератора в условиях его изготовления) или автоматически (например, в процессе эксплуатации генератора с использованием соответствующих детекторов излучения, контролирующих выходной сигнал генератора, и схемы преобразования и формирования управляющего воздействия). Указанные схемы управления, за исключением средств управления 20, 21, являются внешними по отношению к предлагаемому генератору и выходят за пределы объема изобретения.

Таким образом, в предлагаемом малогабаритном рентгеновском генераторе при сохранении неизменными габаритов за счет расширения его функциональных возможностей, связанных с использованием средств коррекции траектории пучка электронов в рентгеновской трубке, обеспечивается повышение КПД генератора и улучшение его выходной диаграммы направленности. Последнее также значительно облегчает настройку генератора при его изготовлении и эксплуатации и срок использования рентгеновских трубок. (56) Авторское свидетельство СССР N 599738, кл. Н 05 G 1/02, 1978.

Авторское свидетельство СССР N 1526555, кл. Н 05 G 1/02, 1988.

Формула изобретения

МАЛОГАБАРИТНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий корпус, в котором расположены рентгеновская трубка и секционный диодно-конденсаторный умножитель напряжения, выполненный по схеме Кокрофта - Уолтона, при этом диодно-конденсаторный умножитель установлен коаксиально с рентгеновской трубкой и выполенн в виде двух диаметрально расположенных повышающей и выравнивающей колонн, каждая секция которых имеет одну точку удвоения напряжения, а также средства экранирования, выполненные в виде металлических колец, установленных коаксиально рентгеновской трубке, при этом каждое кольцо электрически связано с точкой удвоения напряжения расположенной напротив него секции умножителя напряжения, отличающийся тем, что по крайней мере одно, n-е, металлическое кольцо снабжено первым и вторым секторными металлическими элементами, умножитель напряжения дополнительно снабжен первым и вторым управляемыми делителями напряжения, имеющими каждый по одному управляемому элементу и одной средней точке, и первыми и вторыми средствами управления, при этом первый и второй секторные металлические элементы n-го металлического кольца выполнены электрически изолированными друг от друга и от самого кольца и разнесенными на угол 90^o, первые выводы управляемых делителей напряжения электрически связаны с точкой удвоения напряжения (n - 1)-й секции умножителя напряжения, вторые выводы управляемых делителей напряжения электрически связаны с точкой удвоения напряжения (n + 1)-й секции умножителя напряжения, средняя точка первого управляемого делителя напряжения электрически связана с первым секторным металлическим элементом n-го металлического кольца, средняя точка второго управляемого делителя напряжения электрически связана с вторым секторным металлическим элементом n-го металлического кольца, первые и вторые средства управления бесконтактно связаны с управляемым элементом соответственно первого-второго делителя напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2