РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА

Изобретение относится к рентгеновской трубке для производства рентгеновских лучей и, в частности, к рентгеновской трубке, способной генерировать рентгеновские лучи с относительно высокой интенсивностью. В частности, это изобретение ориентировано на производство рентгеновских трубок для использования на предприятиях, которые используют рентгеновские лучи для обследования древесины. В дальнейшем в данном документе, в целом, выполняется ссылка на эту отрасль промышленности. Однако следует понимать, что это изобретение может применяться без изменений в любой другой отрасли промышленности и для любой другой задачи.

Поскольку рентгеновские трубки были изобретены больше столетия назад, они обычно состоят из вакуумного контейнера (обычно, стеклянной колбы), вмещающей катод (отрицательный полюс) и анод (положительный полюс), между которыми, на практике, прикладывается относительно высокое напряжение постоянного тока (даже несколько кВ).

Анод устанавливается на предварительно определенном расстоянии от катода и состоит из тяжелого диска, выполненного из металла (такого, как вольфрам, молибден или родий), способного испускать рентгеновские лучи при бомбардировании электронами, перемещающимися с предварительно определенной кинетической энергией, как более подробно объяснено ниже. Диск установлен наклонно, в том смысле, что его главная поверхность, обращенная к катоду, находится под углом к плоскости, перпендикулярной направлению, соединяющему катод и анод.

В свою очередь катод обычно состоит из нагреваемой спирали, которая испускает электроны вследствие термоэлектронного эффекта. После испускания электроны ускоряются посредством разности потенциалов, существующей между анодом и катодом, а затем бомбардируют металлический диск. В момент столкновения небольшая часть их кинетической энергии преобразуется в рентгеновские лучи в соответствии с известным процессом.

Сгенерированные таким способом рентгеновские лучи будут сами по себе распространяться во всех направлениях.

Однако форма анода (плоский диск) означает, что большинство исходящих из него рентгеновских лучей распространяется в направлении, по существу перпендикулярном к двум поверхностям диска. В частности, большинство лучей распространяются в результате выхода из поверхности диска, противоположной к поверхности, которая обращена к катоду (прямые лучи), в то время как значительно меньшая часть выходит из второй поверхности (обратные лучи).

Кроме того, поскольку во время работы анод подвергается существенному нагреванию, в промышленных применениях он должен быть охлажден. В настоящее время это обычно выполняется посредством применения средства охлаждения к поверхности анода противоположной к поверхности, которая обращена к катоду. Средство охлаждения содержит коробчатый металлический элемент (обычно, изготовленный из стали), который находится в тепловом контакте с анодом и в котором течет охлаждающая жидкость, такая как вода. Однако для гарантии корректного рассеивания тепла размеры и структура средства охлаждения таковы, что фактически все прямые лучи поглощаются коробчатым элементом или охлаждающей водой.

Следовательно, в промышленных рентгеновских трубках из предшествующего уровня техники используемыми являются только обратные лучи. Именно поэтому анод установлен под углом. Действительно, только таким способом возможно направлять рентгеновские лучи в направлении из трубки без их рассеивания в средстве охлаждения и без бомбардирования катода.

Однако когда электроны бомбардируют анод, генерируются лучи, которые покрывают широкий диапазон различных длин волн (фактический диапазон зависит от типа металла, используемого для изготовления анода, и рабочего напряжения, то есть скорости электронов в момент столкновения).

Однако на промышленном уровне фактически пригодны лишь некоторые из длин волн. Например, для обследования древесины все лучи с более низкой частотой не будут представлять интереса не только потому, что они не способны проходить через древесину, но также их следует избегать, поскольку они могут насыщать датчик обнаружения при отсутствии дерева.

С этой целью рентгеновские трубки, находящиеся в продаже в настоящее время, оснащены фильтром, который перехватывает обратные лучи перед тем, как она смогут выйти. Фильтр состоит из металлической пластины (например, изготовленной из бериллия или меди), толщина которой составляет лишь несколько миллиметров и которая может поглощать длины волн рентгеновских лучей, испускаемых посредством трубки, которые не пригодны для соответствующего применения.

Описанное выше представляет аспекты, совместно используемые всеми решениями из предшествующего уровня техники. Однако важно учитывать, что рентгеновские трубки, в настоящее время находящиеся на рынке, также могут иметь как средство концентрирования и ограничения потока электронов, так и средство ограничения рентгеновских лучей. Также существуют трубки из предшествующего уровня техники с вращающимся анодом, которые разработаны для непрерывного изменения места столкновения электронов на аноде. В любом случае это изобретение может быть применено, с соответствующими регулировками, к любой рентгеновской трубке.

В свете вышеупомянутого кажется ясным, что главной проблемой рентгеновских трубок из предшествующего уровня техники является проблема низкой производительности. Лишь малая часть производимых рентгеновских лучей доступна для относительных применений.

Следовательно, в областях промышленности, в которых требуется высокая производительность (таких, как рентгеновское обследование бревен), обычные серийные рентгеновские трубки не подходят и должны быть использованы специальные трубки с очень высокой производительностью и с адекватно высокой стоимостью.

В этой ситуации техническая задача, которая формирует основу этого изобретения, состоит в предоставлении рентгеновской трубки, которая преодолевает вышеупомянутые недостатки.

В частности техническая задача этого изобретения состоит в предоставлении рентгеновской трубки, которая, при равных рабочих параметрах, может обеспечивать рентгеновские лучи со значительно большей интенсивностью, чем обычные рентгеновские трубки.

Также технической задачей этого изобретения является предоставление рентгеновской трубки, которая, при равной производительности, является менее дорогой, чем обычные трубки.

Определенная техническая задача и указанные цели, по существу, достигаются посредством рентгеновской трубки, изготовленной способом, описанным в приложенной формуле изобретения.

Кроме того, признаки и преимущества этого изобретения более очевидны в подробном описании со ссылкой на сопроводительные чертежи, которые иллюстрируют несколько предпочтительных, неограничивающих вариантов осуществления рентгеновской трубки, на которых:

Фиг.1 является схематическим представлением рентгеновской трубки, изготовленной в соответствии с этим изобретением;

Фиг.2 является увеличенным подробным представлением трубки на Фиг.1;

Фиг.3 является схематическим видом сверху пластины, которая является частью составной части рентгеновской трубки на Фиг.1;

Фиг.4 является схематическим видом сверху другой пластины;

Фиг.5 является видом сверху пластин из Фиг.3 и 4, в котором пластины соединены вместе; и

Фиг.6 является схематическим видом спереди пластин на Фиг.5.

Со ссылкой на сопроводительные чертежи позиция 1, в целом, обозначает рентгеновскую трубку, изготовленную в соответствии с этим изобретением.

Подобно рентгеновским трубкам из предшествующего уровня техники рентгеновская трубка в соответствии с этим изобретением содержит, прежде всего, защитный элемент 2, который предпочтительно является стеклянной колбой или подобным. Защитный элемент 2 также содержит секцию 3 излучения, через которую рентгеновские лучи, произведенные в трубке 1, могут быть посланы в направление зоны, где они используются (например, для рентгеновского обследования части древесины). Как показано на Фиг.1, катод 4 и анод 5, разделенные некоторым пространством, установлены внутри защитного элемента 2. Катод 4 может быть изготовлен таким же способом, что и катоды из предшествующего уровня техники. В частности, на Фиг.1 он является нагреваемой катушкой, способной испускать электроны E вследствие термоэлектронного эффекта.

Напротив, анод 5, подобно анодам из предшествующего уровня техники, в этом изобретении изготовлен из материала, способного испускать рентгеновские лучи при бомбардировании электронами E, которые имеют предварительно определенную кинетическую энергию. Анод 5 содержит первую главную поверхность 6, которая, по существу, обращена к катоду 4, и вторую главную поверхность 7, которая обращена к противоположной стороне от первой поверхности 6.

В соответствии с этим изобретением первой главной поверхности 6 анода 5 нет необходимости находиться под углом относительно плоскости, перпендикулярной направлению, распространяющемуся от катода 4 по направлению к аноду 5. Как более подробно описано ниже по тексту, согласно этому изобретению используемые рентгеновские лучи от рентгеновской трубки 1 являются не обратными лучами, как в случае трубок из предшествующего уровня техники, а прямыми лучами, то есть лучами, которые на практике выходят из второй главной поверхности 7 анода 5.

Предпочтительно средство 8 охлаждения применяется ко второй главной поверхности 7 анода 5 для рассеивания тепла, сгенерированного во время производства рентгеновских лучей. Предпочтительно средство 8 охлаждения содержит теплопроводный элемент 9, который термически соединен со второй главной поверхностью 7 анода 5 и внутри которого течет охлаждающая жидкость, такая как вода.

Главным аспектом этого изобретения является факт того, что средство 8 охлаждения выполняет двойную функцию. Он также является средством 10 фильтра, способным выполнять фильтрацию, на основе соответствующих длин волн рентгеновских лучей, испускаемых посредством анода 5 (на Фиг.1 рентгеновские лучи представлены посредством волнистых стрелок).

Благодаря этому инновационному варианту осуществления в соответствии с этим изобретением секция 3 излучения для рентгеновских лучей, через которую лучи выходят из защитного элемента 2, установлена таким образом, что на практике она принимает рентгеновские лучи, испускаемые из второй главной поверхности 7 анода 5, то есть прямые лучи, после того как они прошли через средство 10 фильтра.

В предпочтительном варианте осуществления это достигается посредством изготовления теплопроводного элемента 9 таким способом, что он вмещает множество микроканалов 11, в которых, на практике, охлаждающая жидкость под давлением может протекать с турбулентным движением. В объеме этого изобретения, термин микроканалы 11 относится к каналам, имеющим по меньшей мере один размер, который составляет не более нескольких десятых миллиметра.

Следовательно, в идеальном варианте осуществления теплопроводный элемент 9 имеет "пористую" структуру, в которой набор различных пор, все из которых находятся в жидкостной связи друг с другом, формирует набор микроканалов 11. Таким образом, с одной стороны, получается очень большая область поверхности теплообмена, и, с другой стороны, в микроканалах 11 генерируется турбулентное движение охлаждающей жидкости. Оба этих фактора помогают максимизировать теплоотвод посредством охлаждающей жидкости.

Кроме того, чтобы позволить циркуляцию жидкости, теплопроводный элемент 9 содержит по меньшей мере одну впускную секцию 12 и по меньшей мере одну выпускную секцию 13 для охлаждающей жидкости, которые находятся в жидкостной связи с микроканалами 11 (в иллюстрированном варианте осуществления, впускная секция 12 и выпускная секция 13 являются двумя соединительными частями (патрубками) трубопровода). Следовательно, в более полных вариантах осуществления этого изобретения рентгеновская трубка 1 также оборудована средством для подачи охлаждающей жидкости под давлением на средство 8 охлаждения (таким как насос, не иллюстрирован, и подходящие трубки 14).

В предпочтительном варианте осуществления теплопроводный элемент 9 предпочтительно содержит множество плоских пластин 15, 16, уложенных одна поверх другой для формирования многослойной стопки 17, распространяющейся (вытягивающейся) главным образом плоско. Кроме того, предпочтительно многослойная стопка 17 распространяется главным образом параллельно с пластинами (Фиг.2).

В многослойной стопке 17 две концевые пластины 15 могут быть идентифицированы (с которыми соединяют впускную секцию 12 и выпускную секцию 13), в которых, по существу, нет отверстий (за исключением тех, которые предназначены для соединения с впускной секцией 12 и выпускной секцией 13 для охлаждающей жидкости), а также множество внутренних пластин 16. Как показано на Фиг.3 и 4, каждая внутренняя пластина 16 из многослойной стопки 17 содержит множество сквозных отверстий 18, которые распределены по ее поверхности. Для этой цели предпочтительно каждая внутренняя пластина 16 имеет форму решетки с регулярными ячейками. В иллюстрированном варианте осуществления каждое отверстие 18 имеет трехлопастную форму, сформированную посредством шестиугольной ячейки с тремя круглыми областями 19 в противоположных вершинах шестиугольника.

Для формирования микроканалов 11 сразу после изготовления стопки отверстия 18 в каждой пластине лишь частично выравниваются с отверстиями 18 пластин, непосредственно смежных с ней. В частности, если форма и размер ячеек является одним для всех пластин, то в многослойной стопке 17 ячейки каждой пластины смещаются относительно ячеек пластин напротив нее.

Кроме того, предпочтительно каждое отверстие 18 в каждой из внутренних пластин 16 многослойной стопки 17 расположено частично напротив по меньшей мере двух различных отверстий 18 каждой внутренней пластины 16, непосредственно обращенной к ней, таким образом помещая их в жидкостную связь друг с другом.

Эта ситуация схематично иллюстрирована на Фиг.5 и 6, которые изображают пластины Фиг.3 и 4, соединенные одна поверх другой. Исключительно для упрощения понимания чертежа: на Фиг.5 пластина на Фиг.3 установлена сверху и является полностью черной, в то время как пластина на Фиг.4 находится снизу. Более того, на Фиг.5 стрелка, начерченная пунктирной линией, указывает возможный путь для охлаждающей жидкости (когда стрелка проходит через промежуток пластины черного цвета, то это означает, что жидкость течет в отверстия 18 в пластине ниже).

Более того, в предпочтительном варианте осуществления многослойная стопка 17 получена посредством чередования только двух типов внутренних пластин 16 (таких, как на Фиг.3 и 4). Предпочтительно в иллюстрированном варианте осуществления все пластины имеют одинаковую форму: пластина на Фиг.4 является ничем иным, как той же самой пластиной, что и на Фиг.3, но перевернутой. Пластины 16 также имеют такие размеры, что круглые части 19 ячеек одной пластины точно накладываются на круглые части смежных ячеек.

Кроме того, для получения корректного эффекта фильтрации рентгеновских лучей теплопроводный элемент 9 предпочтительно изготовлен из материала, известного как имеющий такие свойства, такого как медь, или бериллий, или другой металл. В предпочтительных вариантах осуществления толщина многослойной стопки 17 составляет менее 1 см, в то время как толщина каждой пластины 15, 16 составляет несколько десятых миллиметра или даже менее.

Как уже было указано, описанный выше вариант осуществления этого изобретения является одним из самых простых возможных вариантов осуществления. Однако с соответствующими регулировками это изобретение также может быть успешно применено к более сложными вариантам осуществления, таким как варианты осуществления, оборудованные средством для центрирования и фокусировки потока электронов и рентгеновских лучей или варианты осуществления с вращающимся анодом (в этом случае, очевидно, будет необходим подходящий вариант осуществления впускной секции 12 и выпускной секции 13).

Работа рентгеновской трубки 1 в соответствии с этим изобретением, по существу, аналогична работе обычных трубок, касательно генерирования рентгеновских лучей. Катод 4 испускает электроны E, которые ускоряются посредством разности потенциалов ΔV, прикладываемой между катодом 4 и анодом 5, достигая предварительно определенной скорости и, таким образом, приобретая предварительно определенную кинетическую энергию, малая часть которой преобразуется в рентгеновские лучи в момент, когда электроны E осуществляют бомбардирование анода 5.

Сгенерированные прямые лучи проходят через теплопроводный элемент 9, который устраняет нежелательные длины волн, пока пригодные длины волн способны свободно достигать секции 3 излучения.

В то же время охлаждающая жидкость циркулирует под давлением в микроканалах 11, гарантируя подходящее охлаждение анода 5, который термически соединен с теплопроводным элементом 9.

Это изобретение дает важные преимущества.

Благодаря этому изобретению было возможно предоставлять рентгеновскую трубку, которая при равной поглощаемой энергии гарантирует доступную производительность в показателях рентгеновских лучей, которая является значительно более высокой, то есть трубку, которая является значительно более эффективной.

В качестве альтернативы при равной доступной производительности это изобретение делает возможным производство рентгеновских трубок, которые являются значительно менее дорогими, чем обычные трубки.

И, наконец, следует заметить, что это изобретение относительно легко производить и что даже затраты, связанные с реализацией изобретения, не очень высоки.

Описанное выше изобретение может быть изменено и приспособлено несколькими способами и при этом без отступления от объема концепции изобретения.

Кроме того, все детали изобретения могут быть заменены другими технически эквивалентными элементами и используемыми материалами, а также формы и размеры различных компонентов могут варьироваться в соответствии с требованиями.