ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано при разработке импульсных рентгеновских трубок для использования в малогабаритных рентгеновских аппаратах, в частности для медицинской диагностики и лечения заболеваний, а также в других областях техники.

Известна импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус с прострельной мишенью и окном для вывода рентгеновского излучения, катод, внутренний изолирующий элемент, при этом мишень отделена от окна и крепится во внутренней полости трубки с помощью двух цилиндрических колец, имеющих зуб и паз так, что величина зазора между мишенью и катодом выполнена в пределах соотношения от 1:20 до 1:5 к наружному диаметру катода [Патент РФ №2160480, Н01J 35/00, H01J 35/02, H05G 1/02, 2000 г.].

Такая конструкция имеет малые габариты и при подаче импульса ускоряющего напряжения порядка 100 кВ, длительностью 1,5·10^-10 с электронный ток в промежутке катод-мишень составляет более 10 кА, при этом доза рентгеновского излучения у наружной поверхности выходного окна достигает 0,01 Гр за импульс. Использование тантала в качестве материала электродов дает некоторые преимущества по сравнению с другими материалами, например вольфрамом. Тантал обладает меньшей работой выхода электродов, что позволяет повысить интенсивность излучения примерно на 10-20%.

К недостаткам данной импульсной рентгеновской трубки следует отнести низкий ресурс стабильной работы при напряжении на аноде менее 100 кВ. Известно, что в процессе взрывной электронной эмиссии происходит разрушение микроострий поверхности катода с образованием новых микроострий от импульса к импульсу, при этом характер микроострий зависит от вводимой энергии в катод. При напряжении на аноде менее 100 кВ в процессе наработки происходит сглаживание микроострий, что приводит к уменьшению коэффициента усиления внешнего поля на поверхности катода (эффект полировки). В этом случае импульсную рентгеновскую трубку невозможно использовать при низких рабочих напряжениях (<100 кВ) для получения излучения мягкого диапазона.

Известна также импульсная рентгеновская трубка, содержащая вакуумированный корпус, анод и закрепленный на изоляторе высоковольтный ввод с взрывоэмиссионным катодом, выполненным из материала с наноструктурой поверхности, например, на основе графита или полиакрилонитрильных углеродных волокон [Патент РФ №2308781, H01J 35/00, 2007 г.].

Основным преимуществом данной рентгеновской трубки по сравнению с трубками, имеющими катоды из металла, является увеличение ресурса стабильной работы и расширение функциональных возможностей рентгеновского аппарата за счет получения излучения мягкого диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображений при работе с объектами разной оптической плотности.

К недостаткам следует отнести ограниченный срок службы из-за небольшой рабочей поверхности катода, определяемой выбранной конструкцией и способом его изготовления. В этой конструкции катода ограничено количество эмитирующих центров, а также высокий уровень потенциала автоэлектронной эмиссии, что уменьшает интенсивность рентгеновского излучения, а следовательно, и КПД трубки.

Отечественной промышленностью выпускаются полиакрилонитрильные углеродные волокна в виде жгутов из сотен и даже тысяч единичных волокон диаметром от 2 мкм до 10 мкм. Отдельные тонкие нити этих волокон не имеют достаточной механической прочности и при изготовлении импульсных рентгеновских трубок в частности в процессе откачки при обезгаживании собираются в межэлектродном промежутке и создают электрические утечки до единиц Мом. Этот общий недостаток полиакрилонитрильных углеродных волокон устраняется технологическими операциями или конструктивным решением - углерод при очистке от легких фракций углеродных нитей не должен попадать на внутреннюю оболочку изолятора

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и катодом, через отверстие в центре которого в направлении окна перпендикулярно катоду проходит острийный анод, первый защитный экран, образованный полым цилиндром, соединенным одним основанием с корпусом, а другим - с большим основанием полого усеченного конуса, меньшее основание которого с отверстием в центре обращено в сторону меньшего основания изолятора, вывод острийного анода, проходящий через отверстие в первом защитном экране в полость изолятора и соединенный с его меньшим основанием, второй защитный экран в виде диска, соосный острийному аноду и расположенный с ним в объеме, ограниченном первым защитным экраном, а диаметры отверстия в катоде Д₁, второго защитного экрана Д₂, отверстия в первом защитном экране Д₃, расстояние между верхней поверхностью второго защитного экрана и плоскостью расположения катода S₁, расстояние между верхней поверхностью второго защитного экрана и внешней поверхностью меньшего основания полого усеченного конуса первого защитного экрана S₂ связаны соотношением (Д₂-Д₁)/S₁≥(Д₃-Д₂)/S₂ [Патент РФ №2446508, H01J 35/00, 2012 г. - прототип].

Выполнение первого защитного экрана в виде полой фигуры в форме стакана, состоящей из цилиндра и усеченного конуса, позволяет выбирать геометрические размеры и местоположение элементов конструкции рентгеновской трубки согласно заданному соотношению, при выполнении которого нет прямого воздействия продуктов эрозии материала электродов, образованных в результате вакуумного разряда, на внутреннюю поверхность изолятора, что снижает осаждение продуктов эрозии на эту поверхность, обеспечивая, таким образом, большую долговечность рентгеновской трубки.

Недостатком данной конструкции является то, что ее использование позволяет получить мягкое рентгеновское излучение в ограниченном режиме.

Задачей данного изобретения является создание импульсной рентгеновской трубки с излучением мягкого диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображения при работе с объектами разной оптической плотности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной импульсной рентгеновской трубке, содержащей металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса, а другое основание корпуса соединено с окном для вывода рентгеновского излучения и катодом, через отверстие в центре которого в направлении окна перпендикулярно катоду проходит острийный анод, первый защитный экран, образованный полым цилиндром, соединенным одним основанием с корпусом, а другим - с большим основанием полого усеченного конуса, меньшее основание которого с отверстием в центре обращено в сторону меньшего основания изолятора, вывод острийного анода, проходящий через отверстие в первом защитном экране в полость изолятора и соединенный с его меньшим основанием, второй защитный экран, например, в виде диска, соосный острийному аноду и расположенный с ним в объеме, ограниченном первым защитным экраном, а диаметры отверстия в катоде Д₁, второго защитного экрана Д₂, отверстия в первом защитном экране Д₃, расстояние между верхней поверхностью второго защитного экрана и плоскостью расположения катода S₁, расстояние между верхней поверхностью второго защитного экрана и внешней поверхностью меньшего основания полого усеченного конуса первого защитного экрана S₂ связаны соотношением (Д₃-Д₁)/S₁≥(Д₃-Д₂)/S₂, катод выполнен из материала с наноструктурой поверхности, например, из полиакрилонитрильных углеродных волокон, расположенных на подложке и направленных по радиусу перпендикулярно оси прибора, при этом торцы полиакрилонитрильных углеродных волокон образуют границу отверстия катода и закреплены на подложке, например, посредством металлического диска в виде кольца путем точечной сварки.

Импульсная рентгеновская трубка с катодом заданной конструкции позволяет получить излучение большой мощности мягкого диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображений при работе с объектами разной оптической плотности.

Углеродные волокна обладают анизотропией, т.е. их физические свойства зависят от направления и обладают наилучшими свойствами вдоль своей оси и поэтому они укладываются по радиусу перпендикулярно оси прибора, при этом рабочая поверхность катода является суммарной поверхностью всех торцов углеродных волокон, уложенных указанным способом. Для формирования катода рентгеновской трубки используют множество углеродных волокон (сотни и даже тысячи), торцы которых образуют большую рабочую поверхность катода, имеющую эмитирующие центры, не требующие специального предварительного заострения и воспроизводящиеся во время работы при воздействии высоковольтных импульсов напряжения. Большая рабочая поверхность катода и низкий порог эмиссии материала на основе полиакрилонитрильных углеродных волокон позволяет получить мощное рентгеновское излучение мягкого диапазона, что обеспечивает высокий контраст изображения при работе с объектами разной оптической плотности.

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, позволяющие получить рентгеновское излучение большой мощности мягкого диапазона, за счет выполнения катода из полиакрилонитрильных углеродных волокон, расположенных в плоскости, перпендикулярной острийному аноду, и направленных по радиусу к оси прибора так, что внутренние торцы волокон образовывали отверстие в катоде, закрепленных на подложке, например, посредством тонкого металлического диска и точечной сварки.

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

Заявленное техническое решение поясняется чертежом.

На фиг.1 показан один из вариантов заявленной импульсной рентгеновской трубки.

Импульсная рентгеновская трубка (фиг.1) содержит металлический корпус 1 в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора 2, выполненного в виде полого усеченного конуса и расположенного вне корпуса 1, а другое основание корпуса 1 соединено с окном 3 в виде цилиндра, имеющем дно из бериллия для вывода мягкого рентгеновского излучения, и через держатель 4 (подложка) - с катодом 5, выполненным из полиакрилонитрильных углеродных волокон, уложенных на держателе 4 в плоскости, перпендикулярной оси острийного анода 6 из тантала, и закрепленных на держателе (подложке) 4 тонким металлическим кольцевым диском 7 посредством точечной сварки, при этом полиакрилонитрильные углеродные волокна направлены по радиусу к оси прибора так, чтобы внутренние торцы волокон образовывали отверстие в катоде, через которое в направлении окна 3 проходит анод 6, первый защитный экран 8 в виде цилиндрического стакана, края которого соединены с верхним основанием корпуса 1, а дно выполнено в виде полого усеченного конуса с отверстием по центру диаметром Д₃, причем первый защитный экран 8 ограничивает объем, в котором расположены острийный анод 6 и второй защитный экран 9 в виде диска диаметром Д₃, расположенный под острием анода, вывод анода 10, проходящего через отверстие в первом защитном экране 8 в полость изолятора 2, и соединенный с его меньшим основанием, штенгель 11 для откачки рентгеновской трубки, при этом плоскость расположения катода 5 и внешняя поверхность меньшего основания полого усеченного конуса первого защитного экрана 8 удалены от верхней поверхности второго защитного экрана 8 на расстояния S₁ и S₃ соответственно.

При подаче импульса высоковольтного напряжения на анод 6 (катод 5 заземлен) в межэлектродном пространстве создается высокая напряженность электрического поля, вызывающая взрывную эмиссию электронов с микроострий катода 5 с образованием потока электронов, двигающихся к аноду 6. В результате соударении электронов с анодом 6 и их торможении происходит генерация мягкого рентгеновского излучения. В процессе работы рентгеновской трубки, заявленной конструкции, при вакуумном пробое между катодом 5 и анодом 6 происходит очистка межэлектродного пространства от легкой фракции тонких углеродных нитей, полученных в процессе производства трубки, в частности при откачке, обезгаживании прибора и распылении материала катода, при этом продукты распыления (углерод) под действием электродинамической силы перемещаются по объему рентгеновской трубки, соударяясь с внутренней поверхностью оболочки трубки со стороны окна 3, с поверхностями защитных экранов 8 и 9, осаждаются практически не попадая на внутреннюю поверхность изолятора 2, что увеличивает электрическую прочность рентгеновской трубки и ее ресурс.

На основании заявленного изобретения создан макетный образец импульсной рентгеновской трубки, в которой Д₁=6 мм, Д₂=11 мм, Д₃=13,5 мм, S₁=7 мм, S₂=18 мм, с катодом из полиакрилонитрильных углеродных волокон (лента «Кулон»). Испытания рентгеновской трубки проводились в лаборатории СПБ Государственного университета телекоммуникаций. На потенциальный электрод рентгеновской трубки подавался импульс напряжения от генератора наносекундных импульсов напряжения с регулируемой длительностью 10-80 нс и амплитудой 15-80 кВ. В заданных диапазонах изменения амплитуды и длительности импульсов наблюдалось мощное мягкое рентгеновское излучение, фиксируемое по свечению люминесцентного экрана.

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать импульсную рентгеновскую трубку с мягким рентгеновским излучением, обеспечивающую высокий контраст изображений при работе с объектами разной оптической плотности.