Острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка


 


Владельцы патента RU 2479883:

Общество с ограниченной ответственностью "Субмикроволновая Диагностическая Аппаратура" (ООО "СДА") (RU)

Изобретение относится к рентгеновской технике и может быть использовано в импульсных рентгеновских аппаратах для получения коротких рентгеновских импульсов большой интенсивности для регистрации быстропротекающих процессов в оптически плотных средах, рентгенографии, дефектоскопии, медицинской диагностике и т.д. Техническим результатом является повышение пространственной равномерности, стабильности амплитуды рентгеновских импульсов, повышение частоты следования импульсов, увеличение мощности, рассеиваемой анодом. Результат достигается за счет того, что анод выполнен в виде стержня с конусообразным окончанием, на цилиндрическую поверхность которого напрессован радиатор в виде цилиндра из материала с высокой теплоемкостью и температуропроводностью. Конусообразное окончание анода находится в плоскости, проходящей через поверхность взрывоэмиссионного катода. Взрывоэмиссионный катод выполнен в виде керамической шайбы и металлического кольца, находящихся в механическом контакте с целью формирования тройной точки (контакт металл-вакуум-диэлектрик), обеспечивающей высокую плотность тока эмиссии. 1 ил.

 

Изобретение относится к рентгеновской технике и может быть использовано в импульсных рентгеновских аппаратах для получения коротких рентгеновских импульсов 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 [Г.Томер. Физика быстропротекающих процессов. М.: Мир, 1971, с.340]. Известное 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 [В.А.Цукерман, М.А.Монакова. Источники коротких рентгеновских вспышек для исследования быстропротекающих процессов. // ЖТФ, 1957, т.27, N 2, с.43-57.]. 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°, 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.

Известна малогабаритная острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка [Э.-Г.В.Александрович, Н.В.Белкин, Н.А.Дронь, Г.Н.Слоева. Малогабаритная импульсная рентгеновская трубка. // ПТЭ, 1974 N 5 с.189-190]. 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°. 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 излучения 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.

Наиболее близким аналогом является острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская, известная из патента RU 2174726. Известная 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 расстоянии 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.

Техническим результатом является повышение пространственной равномерности, стабильности амплитуды рентгеновских импульсов, повышение частоты следования импульсов, увеличение мощности, рассеиваемой анодом. Результат достигается за счет того, что анод выполнен в виде стержня с конусообразным окончанием, на цилиндрическую поверхность которого напрессован радиатор в виде цилиндра из материала с высокой теплоемкостью и температуропроводностью. Конусообразное окончание анода находится в плоскости, проходящей через поверхность взрывоэмиссионного катода. Взрывоэмиссионный катод выполнен в виде керамической шайбы и металлического кольца, находящихся в механическом контакте с целью формирования тройной точки (контакт металл-вакуум-диэлектрик), обеспечивающей высокую плотность тока эмиссии.

К недостаткам следует отнести малую допустимую тепловую нагрузку на аноде этой конструкции и, как следствие, низкую частоту следования импульсов. Отсутствие защиты изолятора трубки от продуктов распыления материала анода и, как следствие, снижение электрической прочности конструкции. Катодный электрод в виде гребенки обладает малой теплоемкостью, что приводит к его распылению в процессе эксплуатации. Отсутствие отверстий в катодном узле, приводящее к затруднению удаления плазмы из разрядного промежутка. Отсутствие экранировки задней полусферы трубки от рентгеновского излучения.

Целью настоящего изобретения является повышение интенсивности импульсов рентгеновского излучения, увеличение частоты следования рентгеновских импульсов до нескольких кГц, увеличение рассеиваемой анодом мощности, улучшение стабильности импульсов во времени, введение экранировки задней полусферы трубки от рентгеновского излучения.

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, герметичного 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 металлическая шайба с внутренним диаметром большим, чем внутренний диаметр диэлектрической шайбы, находящаяся в механическом контакте по внутреннему диаметру с диэлектрической шайбой, а коническая часть анодного стержня выступает за плоскость сечения, перпендикулярного оси трубки, проходящего через контакты диэлектрической шайбы и гребенки, на расстояние, определяемое величиной необходимого размера рентгеновского фокуса.

На Фиг.1 приведен вариант предлагаемого устройства, где 1 - цилиндрический стержневой анод;

2 - радиатор, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью;

3 - диэлектрическая шайба;

4 - металлическая шайба;

5 - окно для вывода рентгеновского излучения;

6 - фланец;

7 - цилиндрический корпус трубки;

8 - высоковольтный фланец;

9 - токоввод;

10 - штенгель для вакуумирования трубки;

11 - геттер для поддержания высокого вакуума.

Трубка состоит из цилиндрического стержневого анода 1 диаметром d, выполненного из материала с большим атомным номером. Торец анода 1 оканчивается конусом. На анод 1 напрессован радиатор 2, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью. Катод состоит из диэлектрической шайбы 3, на которую накладывается металлическая шайба 4 таким образом, что внутренний диаметр ее имеет механический контакт с торцевой плоскостью диэлектрической шайбы 3. Торец анода 1 выступает за плоскость диэлектрической шайбы 3, на которой установлена гребенка на расстоянии h≅r, где r - радиус ожидаемого фокусного пятна. Катодный узел укреплен в металлическом стакане с отверстиями 12, вмонтированном в окно 5 для вывода рентгеновского излучения. Фланец 6 имеет герметичное соединение с цилиндрическим корпусом 7 трубки. На противоположном конце корпуса установлен высоковольтный фланец 8, соединенный с токовводом 9. На токовводе укреплены анод 1, штенгель 10 для вакуумирования трубки, гетер 11 для поддержания высокого вакуума.

Устройство работает следующим образом. При приходе импульса высокого напряжения на анод 1 возникает высокая напряженность электрического поля в области сильноточного диода. В месте контакта металлической шайбы 4 с диэлектрической шайбой 3 происходит значительное усиление напряженности электрического поля, т.к. потенциал проводящей металлической шайбы 4 равен нулю, а потенциал непроводящей диэлектрической шайбы 3 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 3 возникает несколько источников электронов, расположенных по окружности. Под действием электрического поля электроны ускоряются и бомбардируют анод 1. Зарождение множества центров эмиссии, симметрично расположенных относительно анода 1, позволяет добиться пространственной равномерности излучения, хорошего его повторения от импульса к импульсу. Поскольку распространение электронов ограничено поверхностью диэлектрической шайбы 3, то бомбардировке подвергается только конусная часть анода 1, что гарантирует незначительное изменение действующего рентгеновского фокуса в центре и на периферии снимка. Наличие радиатора 2 в виде цилиндра из материала с высокой теплоемкостью и температуропроводностью, напрессованного на анод 1 из материала с большим атомным номером, обеспечивает эффективный отвод тепла от анодного стержня, что позволяет увеличить рассеиваемую на аноде 1 мощность и, как следствие, повысить частоту следования рентгеновских импульсов до нескольких кГц. Это решение позволяет снизить скорость нарастания импульсов высокого напряжения до 5·1011 В/с и использовать данную рентгеновскую трубку в режимах телевизионной регистрации быстропротекающих процессов в рентгеноскопии.

Были проведены сравнительные испытания трубки предлагаемой конструкции и рентгеновской трубки Ж83-Р832. Частота следования импульсов на момент испытания для предлагаемой трубки составила 5 кГц, для трубки Ж83-Р832 - 1 кГц. Средняя рассеиваемая мощность предлагаемой трубки 1.5 кВт, для Ж83-Р832 - 600 Вт. Трубка выдержала более 100 тыс.импульсов и продолжает стабильно работать.

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 металлическая шайба, находящаяся в механическом контакте по внутреннему диаметру с торцевой плоскостью диэлектрической шайбы, причем контактная поверхность металлической шайбы с диэлектрической шайбой обращена в сторону выходного окна, держатель катодного узла выполнен с отверстиями, необходимыми для быстрой релаксации анодной плазмы, а анод выполнен в виде стержня с конусообразным окончанием, на цилиндрическую поверхность которого напрессован радиатор в виде цилиндра из материала с высокими теплоемкостью и температуропроводностью, конусообразное окончание анода находится в плоскости, проходящей через поверхность катода, коническая часть анодного стержня выступает за плоскость сечения, перпендикулярного оси трубки, проходящего через контакты диэлектрической шайбы и гребенки, на расстояние, определяемое размером необходимого рентгеновского фокуса.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использована при разработке импульсных рентгеновских трубок, предназначенных для облучения медицинских или промышленных объектов.

Изобретение относится к импульсным рентгеновским трубкам с взрывной эмиссией, предназначенных для использования в импульсных рентгеновских аппаратах. .

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при разработке импульсных рентгеновских трубок предпочтительно для использования в малогабаритных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии металлоконструкций, в частности для неразрушающего контроля качества сварных соединений при прокладке нефте- и газопроводов.

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при разработке импульсных рентгеновских трубок, предпочтительно для использования в малогабаритных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии металлоконструкций, в частности для неразрушающего контроля качества сварки соединений при прокладке нефте и газопроводов.

Изобретение относится к импульсным рентгеновским трубкам с взрывной эмиссией электронов промышленного применения и может быть использовано при разработке и производстве импульсных рентгеновских аппаратов для дефектоскопии металлоконструкций, а также в аппаратуре для регистрации быстропротекающих процессов.

Изобретение относится к формированию рентгеновских изображений. .

Изобретение относится к области плазменной техники

Изобретение относится к генератору рентгеновского излучения с трубчатым корпусом и расположенными в корпусе конструктивными узлами для генерирования одного или нескольких рентгеновских лучей

Изобретение относится к генератору рентгеновского излучения с трубчатым корпусом и расположенными в корпусе конструктивными узлами для генерирования одного или нескольких рентгеновских лучей

Группа изобретений относится к устройству и способу для генерации мощного оптического излучения, в частности, в области экстремального УФ (ЭУФ) или мягкого рентгеновского излучения в диапазоне длин волн примерно от 1 нм до 30 нм. Область применения включает ЭУФ - литографию при производстве интегральных схем или метрологию. Технический результат-повышение мощности пучка оптического излучения. В устройстве и способе для генерации излучения из разрядной плазмы осуществляют лазерно-инициируемый разряд между первым и вторым электродами с вводом энергии импульсного источника питания в плазму разряда и генерацией из плазмы разряда излучения наряду с побочным продуктом в виде нейтральных и заряженных загрязняющих частиц (debris), при этом за счет выбора места облучения электрода лазерным лучом, геометрии электродов и разрядного контура формируют асимметричный разряд преимущественно изогнутой/бананообразной формы, собственное магнитное поле которого непосредственно вблизи разряда имеет градиент, определяющий направление преимущественного движения потока разрядной плазмы от электродов в область менее сильного магнитного поля. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области рентгенотехники. Переносная рентгеновская система (200) имеет воспринимающее средство, чтобы обнаруживать, прикреплена ли отсеивающая решетка (230) к переносному детектору (240) или нет. Система выполнена с возможностью изменения автоматическим образом настроек (265а, 265b, 265с, 265d) по умолчанию экспозиции, когда решетка (230) удаляется или прикрепляется к переносному детектору (240). Технический результат - снижение риска недо- или переэкспозиции изображения. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может найти применение в медицине, научных исследованиях и оптоэлектронике. Рентгеновская трубка с модулируемым излучением содержит вакуумную оболочку с выводным окном, прозрачным для рентгеновского излучения, и размещенные внутри вакуумной оболочки источник электронов, фокусирующую электронную систему и анод, на поверхность которого нанесен слой металла мишени. При этом в заявленном изобретении в качестве источника электронов применяется микроканальная пластина, на вход которой подается ультрафиолетовое излучение полупроводникового фотодиода или лазера. Техническим результатом является обеспечение возможности модуляции излучения рентгеновской трубки. 1 ил.

Настоящее изобретение относится к рентгеновским системам для получения изображений с высоким разрешением. Система рентгеновского сканера содержит матрицу пространственно распределенных, последовательно коммутируемых рентгеновских источников с заданной частотой коммутации. Каждый рентгеновский источник содержит анод с плоской поверхностью, наклоненной под острым углом относительно плоскости, перпендикулярной направлению входного электронного пучка, встроенный приводной блок и блок управления приводом для управления размером, направлением, скоростью и/или ускорением поступательного и/или поворотного перемещения анода. Во втором варианте выполнения система рентгеновского сканера дополнительно содержит отклоняющее средство для генерации электрического и/или магнитного поля, отклоняющего электронный пучок в направлении, противоположном направлению поступательного перемещения вращающегося анода, и блок управления отклонением для регулировки напряженности электрического и/или магнитного поля таким образом, чтобы компенсировать отклонения положения фокусного пятна, происходящие в результате поступательного смещения вращающегося анода относительно неподвижной установочной плиты. В третьем варианте выполнения системы блок управления приводом выполнен с возможностью управления размером, направлением, скоростью и/или ускорением поступательного перемещения соответствующего анода, выполняемым, по меньшей мере, одним встроенным приводным блоком в зависимости от отклонения температуры анода в положении фокусного пятна от номинальной рабочей температуры. Использование изобретения позволяет предотвратить неисправность анода вследствие перегрева. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.
Наверх