RU135449U1

RU135449U1 - PULSE X-RAY TUBE

Info

Publication number: RU135449U1
Application number: RU2013129662/07U
Authority: RU
Inventors: Борис Петрович Меркулов; Дмитрий Сергеевич Маханько; Василий Михайлович Фокин; Алексей Александрович Якуб
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2013-12-10

Abstract

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 с осесимметричным отверстием относительно анода, выполненного в виде цилиндрического стержня, переходящего в конус, направленного в сторону окна, вывод анода, проходящий по оси прибора в плоскости изолятора и соединенный с его меньшим основанием, отличающаяся тем, что ниже катода соосно ему размещены N≥2 дополнительных катодов, расположенных на расстоянии друг от друга порядка 3 мм, имеющих осевые отверстия, через которые в направлении окна проходит конусная часть анода, выполненная с заострением под углом не более 60°, размещенным ниже плоскости расположения катода на расстоянии не более 2 мм, при этом диаметр отверстия первого дополнительного катода равен диаметру отверстия катода, отношение диаметров сечений анода плоскостями расположения дополнительных катодов к соответствующим диаметрам отверстий в них составляет 0,37±25%, а угол сужения конусной части анода составляет 10-20°.A pulsed x-ray tube containing a metal housing in the form of a hollow cylinder, one base of which is connected to a large base of an insulator made in the form of a hollow truncated cone and located outside the housing, and the other base of the housing is connected to a window for outputting x-ray radiation and a cathode with an axisymmetric hole relative to the anode made in the form of a cylindrical rod turning into a cone directed towards the window, the anode terminal passing along the axis of the device in the plane of the insulator and connected with its smaller base, characterized in that N≥2 additional cathodes are arranged coaxially below the cathode, spaced about 3 mm apart, having axial holes through which the conical part of the anode passes through the window no more than 60 °, located below the cathode location plane at a distance of no more than 2 mm, while the diameter of the hole of the first additional cathode is equal to the diameter of the cathode hole, add the ratio of the diameters of the anode sections to the planes flax cathodes to the corresponding diameters of the holes in them is 0.37 ± 25%, and the narrowing angle of the conical part of the anode is 10-20 °.

Description

Полезная модель относится к области рентгеновской техники и может быть использована 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.The utility model relates to the field of x-ray technology and can be used in the development of pulsed x-ray tubes for use in small x-ray machines, in particular for medical diagnosis and treatment of diseases, as well as in other areas of technology.

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 больше, чем внутренний диаметр диэлектрической шайбы, анода, предназначенного для торможения электронного пучка и генерации рентгеновского излучения, выполненного в виде стержня, заканчивающегося конической поверхностью, вершина которой 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, равное величине радиуса 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, Н05G 1/02, 2001 г.]Known sharp-focus pulsed x-ray tube, consisting of a cathode, including a washer made of a heat-resistant dielectric, on which there is a comb formed by a metal washer having radial slots diverging from the center, with an inner diameter larger than the inner diameter of the dielectric washer, an anode designed to inhibit electronic beam and the generation of x-ray radiation, made in the form of a rod ending in a conical surface, the top of which has the shape of a hemisphere and a passage t along the axis of the hole of the dielectric washer, so that the end of the anode protrudes beyond the plane of the dielectric washer on which the comb is mounted, at a distance equal to the radius of the hemisphere of the current lead for supplying a high pulse voltage, a sealed enclosure made of insulating material, with a window for outputting x-ray radiation [RF patent No. 2174726, H01J 35/00, H05G 1/02, 2001]

Такая конструкция обеспечивает пространственную равномерность рентгеновского излучения, стабильного от импульса к импульсу за счет множества источников электронов, равномерно расположенных по окружности в местах касания металлических концов гребенки с диэлектрической шайбой, где при подаче импульсного напряжения возникает высокая напряженность электрического поля, что вызывает разряд в микрозазорах между металлом и диэлектриком. К достоинству рентгеновской трубки следует отнести малый размер фокусного пятна 1,2 мм, что в 2÷2,5 раз меньше, чем у рентгеновских трубок ИМА-2 и ИМА-5, используемых в большинстве импульсных рентгеновских аппаратах. Малый размер фокусного пятна позволяет осуществлять контроль объектов с повышенной разрешающей способностью за счет меньшей геометрической нерезкости.This design provides spatial uniformity of X-ray radiation, stable from pulse to pulse due to the many sources of electrons, evenly spaced around the circumference at the points of contact of the metal ends of the comb with a dielectric washer, where when applying a pulsed voltage there is a high electric field, which causes a discharge in microgaps between metal and dielectric. The advantage of an X-ray tube is the small focal spot size of 1.2 mm, which is 2–2.5 times smaller than that of the IMA-2 and IMA-5 X-ray tubes used in most pulsed X-ray machines. The small size of the focal spot allows you to control objects with high resolution due to less geometric blur.

Основным недостатком данной конструкции рентгеновской трубки является ее небольшой срок службы при работе в импульсных рентгеновских аппаратах для дефектоскопии металлоконструкций, что связано с отсутствием в данной рентгеновской трубке хорошего теплоотвода, так как она выполнена в металлостеклянном исполнении 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, а также очень малой рабочей поверхностью анода, что приводит к его сильной эрозии и увеличению фокуса, т.е. к ухудшению разрешающей способности при контроле дефектов в исследуемых объектах.The main disadvantage of this design of the X-ray tube is its short life when working in pulsed X-ray apparatus for defectoscopy of metal structures, which is associated with the absence of a good heat sink in this X-ray tube, since it is made in a metal-glass design and all metal parts except the anode and cathode are made of precision alloy (29NK), which has the same coefficient of linear thermal expansion (CTE) with glass with very low thermal conductivity, as well as very small working surface of the anode, which leads to its severe erosion and increasing focus, i.e. to the deterioration of resolution in the control of defects in the studied objects.

Отсутствие в этой рентгеновской трубке хорошего теплоотвода значительно ограничивает срок службы при работе в жестких энергетических режимах. Внутренняя поверхность изолятора конструктивно не защищена от попадания продуктов эрозии материала электродов, что ограничивает электрическую прочность и соответственно долговечность.The absence of a good heat sink in this x-ray tube significantly limits the service life when operating in harsh energy modes. The inner surface of the insulator is not structurally protected from the ingress of products of erosion of the electrode material, which limits the electric strength and, accordingly, durability.

Известна также импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус в виде полого цилиндра, одно основание которого соединено с большим основанием изолятора, выполненного в виде 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 проходит острийный анод, первый защитный экран в виде цилиндрического стакана с отверстием в центре дна, соединенный с корпусом и ограничивающий объем, в котором соосно расположены острийный анод и второй защитный экран в виде диска, вывод анода, проходящий через отверстие в дне первого экрана в полость изолятора и соединенный с его меньшим основанием [Л.Я. Морговский, Е.А. Пеликс. Импульсная рентгенография. Аппараты серии «Арина», ООО «Спектрофлэш», Санкт-Петербург, 1999 г.]Also known is a pulsed x-ray tube containing a metal housing in the form of a hollow cylinder, one base of which is connected to a large base of an insulator made in the form of a truncated cone and located outside the housing, and the other base of the housing is connected to a window for outputting x-ray radiation and a cathode through an opening in in the center of which, in the direction of the window, there passes a pointed anode, the first protective screen in the form of a cylindrical glass with an opening in the center of the bottom, connected to the body and limiting the volume into the cat The tip anode and the second protective screen in the form of a disk are coaxially located, the anode output passing through the hole in the bottom of the first screen into the insulator cavity and connected to its smaller base [L.Ya. Morgovsky, E.A. Pelix. Pulse radiography. Apparatuses of the Arina series, Spectroflash LLC, St. Petersburg, 1999]

Преимуществом данной рентгеновской трубки является ее простота, низкая себестоимость и малый вес. В данной конструкции цилиндрический экран и защитный экран в виде диска, расположенный на выводе анода, защищают внутреннюю поверхность изолятора от напыления продуктами эрозии материала электродов. Однако для обеспечения электропрочности рентгеновской трубки цилиндрический экран не может быть глубоко внедрен в объем изолятора, поэтому его экранирующие действия неэффективны. К тому же он выполнен из ковара (29НК), обладающего низкой теплопроводностью, и не имеет контакта с внешней средой, так как находится внутри вакуумной оболочки. В процессе работы рентгеновской трубки цилиндрический экран сильно разогревается из-за плохого теплоотвода во внешнюю среду, поэтому продукты эрозии материалов электродов плохо осаждаются на внутренней поверхности цилиндрического экрана, запыляя при этом нижнюю часть изолятора ближе к месту соединения изолятора с выводом анода, что значительно снижает электрическую прочность рентгеновской трубки, ограничивая ее долговечность. Наличие защитного экрана в виде диска, размещенного на выводе анода около его острия, не может обеспечить достаточную экранировку внутренней поверхности изолятора от продуктов напыления.The advantage of this X-ray tube is its simplicity, low cost and low weight. In this design, a cylindrical screen and a protective screen in the form of a disk located at the output of the anode protect the inner surface of the insulator from sputtering by the products of erosion of the electrode material. However, to ensure the electrical strength of the X-ray tube, a cylindrical screen cannot be deeply embedded in the volume of the insulator, therefore, its shielding actions are ineffective. In addition, it is made of Kovar (29NK), which has low thermal conductivity, and has no contact with the external environment, since it is located inside the vacuum shell. During operation of the X-ray tube, the cylindrical screen is very hot due to poor heat removal to the external environment, therefore, the erosion products of electrode materials are poorly deposited on the inner surface of the cylindrical screen, dusting the lower part of the insulator closer to the junction of the insulator with the anode terminal, which significantly reduces the electrical X-ray tube strength, limiting its durability. The presence of a protective shield in the form of a disk located on the anode terminal near its tip cannot provide sufficient shielding of the insulator's inner surface from spraying products.

К недостаткам следует отнести большой размер фокусного пятна (2,5÷3,0 мм) в виде кольца с максимальным диаметром, определяемым сечением анода в плоскости расположения катода, и малая доза рентгеновского излучения за импульс из-за малой площади рабочей поверхности катода, определяемой диаметром отверстия в катоде и толщиной острийной кромки катода. Наличие просвета в фокусном пятне приводит к искажению результатов как технической, так и медицинской диагностики.The disadvantages include the large size of the focal spot (2.5 ÷ 3.0 mm) in the form of a ring with a maximum diameter determined by the cross section of the anode in the plane of the cathode, and a small dose of x-ray radiation per pulse due to the small area of the working surface of the cathode determined the diameter of the hole in the cathode and the thickness of the tip edge of the cathode. The presence of a lumen in the focal spot leads to a distortion of the results of both technical and medical diagnostics.

Наиболее близкой к предполагаемой полезной модели импульсной рентгеновской трубки с взрывной эмиссией 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 с осесимметричным отверстием относительно анода, выполненного в виде цилиндрического стержня, переходящего в конус и направленного в сторону окна, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора и соединенный с его меньшим основанием. [Патент РФ №2446508, H01J 35/00, 2012 г. - прототип].Closest to the proposed utility model of a pulsed X-ray tube with explosive emission is a pulsed X-ray tube containing a metal housing in the form of a hollow cylinder, one base of which is connected to a large base of an insulator made in the form of a hollow truncated cone and located outside the housing, and the other base of the housing is connected with a window for outputting x-ray radiation and a cathode with an axisymmetric hole relative to the anode, made in the form of a cylindrical rod, passing it into a cone and directed toward the window, the anode outlet passing along the axis of the device in the cavity of the insulator and connected to its smaller base. [RF patent No. 2446508, H01J 35/00, 2012 - prototype].

В данной конструкции импульсной рентгеновской трубки выполнение ее внутренних элементов с заданной конфигурацией и с заданными геометрическими размерами предотвращают от прямого воздействия продуктов эрозии материала электродов на внутреннюю поверхность изолятора, что снижает осаждение продуктов эрозии, обеспечивая, таким образом, большую долговечность. Диаметр фокусного пятна такой трубки определяется диаметром сечения конусной части анода в плоскости расположения катода и лежит в пределах 1,5÷2,5 мм.In this design of a pulsed x-ray tube, the implementation of its internal elements with a given configuration and given geometric dimensions prevents the direct influence of the erosion products of the electrode material on the inner surface of the insulator, which reduces the deposition of erosion products, thus providing greater durability. The diameter of the focal spot of such a tube is determined by the diameter of the cross section of the conical part of the anode in the plane of the cathode and lies in the range 1.5–2.5 mm.

К недостаткам следует отнести малую дозу излучения в импульсе из-за небольшой рабочей поверхности катода, определяемой геометрическими размерами кромки отверстия в катоде и небольшую долговечность в заданном эксплуатационном режиме. Фокусное пятно имеет форму кольца, что является также недостатком, т.к. наличие просвета в фокусном пятне приводит к серьезным ошибкам в диагностике.The disadvantages include a small dose of radiation in the pulse due to the small working surface of the cathode, determined by the geometric dimensions of the edge of the hole in the cathode and a small durability in a given operating mode. The focal spot has the shape of a ring, which is also a disadvantage, because the presence of a lumen in the focal spot leads to serious diagnostic errors.

Задачей данной полезной модели является создание острофокусной импульсной рентгеновской трубки с большой дозой рентгеновского излучения.The objective of this utility model is to create a sharp focus pulsed x-ray tube with a large dose of x-ray radiation.

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 с осесимметричным отверстием относительно анода, выполненного в виде цилиндрического стержня, переходящего в конус, направленного в сторону окна, вывод анода, проходящий по оси прибора в полости изолятора и соединенный с его меньшим основанием, ниже катода соосно ему размещены N≥2 дополнительных катодов, расположенных на расстоянии друг от друга порядка 3 мм, имеющих осевые отверстия, через которые в направлении окна проходит конусная часть анода, выполненная с заострением под углом не более 60°, размещенным ниже плоскости расположения катода на расстоянии не более 2 мм, при этом диаметр отверстия первого дополнительного катода равен диаметру отверстия катода, отношение диаметров сечения анода плоскостями расположения дополнительных катодов к диаметру отверстия в них составляет 0,37±25%, а угол сужения конусной части анода составляет 10÷20°.This technical result is achieved in that in a known pulsed x-ray tube containing a metal housing in the form of a hollow cylinder, one base of which is connected to a large base of an insulator made in the form of a hollow truncated cone and located outside the housing, and the other base of the housing is connected to the output window x-ray radiation and a cathode with an axisymmetric hole relative to the anode, made in the form of a cylindrical rod turning into a cone, directed towards the window, the output the anode passing along the axis of the device in the cavity of the insulator and connected to its smaller base, N≥2 additional cathodes located at a distance from each other of the order of 3 mm, having axial holes through which the conical part of the anode passes in the window direction made with sharpening at an angle of not more than 60 °, located below the plane of the cathode at a distance of not more than 2 mm, while the diameter of the hole of the first additional cathode is equal to the diameter of the hole of the cathode, the ratio of the diameters of the section the anode by the planes of additional cathodes to the diameter of the hole in them is 0.37 ± 25%, and the narrowing angle of the conical part of the anode is 10 ÷ 20 °.

Введение N≥2 дополнительных катодов, заданная форма всех катодов и анода, их взаимоположение позволяют получить импульсную рентгеновскую трубку с диаметром фокусного пятна менее 1,5 мм. Выбор количества катодов определяется требованиями к мощности рентгеновского излучения и к геометрическим размерам фокусного пятна. Увеличение числа катодов приводит к увеличению суммарной рабочей поверхности катодов, что способствует росту эмиссионного тока и, следовательно, мощности рентгеновского излучения.The introduction of N≥2 additional cathodes, the predetermined shape of all the cathodes and the anode, and their relative positions make it possible to obtain a pulsed x-ray tube with a focal spot diameter of less than 1.5 mm. The choice of the number of cathodes is determined by the requirements for the power of x-ray radiation and the geometric dimensions of the focal spot. An increase in the number of cathodes leads to an increase in the total working surface of the cathodes, which contributes to an increase in the emission current and, consequently, in the power of x-ray radiation.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели. Сравнение с прототипом позволило выявить совокупность существенных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату, изложенных в формуле полезной модели.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patents and scientific and technical sources of information, made it possible to establish that no analogue was found, characterized by features identical to all the essential features of the claimed utility model. Comparison with the prototype made it possible to identify a set of essential features in relation to the perceived technical result set forth in the utility model formula.

Следовательно, заявленная полезная модель отвечает требованию "новизна" по действующему законодательству.Therefore, the claimed utility model meets the requirement of "novelty" under current law.

Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен один из вариантов предлагаемой конструкции импульсной рентгеновской трубки, а на фиг.2 показана зависимость интегральной дозы рентгеновского излучения от отношения диаметра сечения острийного анода с плоскостью расположения катода к диаметру осесимметричного отверстия в нем.The claimed technical solution is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows one of the proposed designs of a pulsed x-ray tube, and Fig. 2 shows the dependence of the integral dose of x-ray radiation on the ratio of the cross-sectional diameter of the tip anode with the cathode plane to the diameter of the axisymmetric hole in it.

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, расположенного вне корпуса 1, другое основание корпуса 1 соединено с окном 3, выполненным в виде цилиндра с дном из бериллия для выхода мягкого рентгеновского излучения и через держатели 4, 5 и 6 соответственно с катодом 7, первым 8 и вторым 9 дополнительными катодами, которые все выполнены из полиакрилонитрильных углеродных волокон, расположенных перпендикулярно оси прибора на держателях 4, 5 и 6, имеющих форму чаши с осевым отверстием в дне и закрепленных на держателях точечной сваркой посредством тонких металлических колец 10, 11 и 12 соответственно, при этом торцы углеродных волокон образуют границу отверстий катодов осесимметричных относительно острийного анода 13, два защитных экрана 14 и 15, закрывающие внутреннюю поверхность изолятора 2 от напыления продуктов эрозии материалов электродов, вывод анода 16, проходящий по оси прибора и соединенный с меньшим основанием изолятора 2, штенгель 17 для откачки рентгеновской трубки, при этом все катоды имеют одну ось симметрии, совпадающую с осью прибора, и расположены на расстоянии друг от друга в пределах 3 мм. Катод 7 расположен выше вершины конусной части анода 13 не более чем на 2 мм, первый дополнительный катод 8 расположен непосредственно у основания заострения вершины конусной части анода 13, а второй дополнительный катод 9 расположен ниже дополнительного катода 8. Диаметры отверстий в катодах выбраны исходя из обеспечения условий большей вероятности одновременной эмиссии электронов с рабочих поверхностей всех катодов. Для обеспечения одновременной работы всех катодов диаметр Д₁ отверстия в катоде 7 выбран равным диаметру Д₂ отверстия в катоде 8, а диаметры Д₂ и Д₃ отверстий в катодах 8 и 9 соответственно и в последующих катодах выбираются такими, чтобы соблюдались соотношения диаметров сечений d острийного анода с плоскостями расположений катодов к диаметрам отверстий в них в пределах 0,37±25%. При таких условиях распределение электрического поля в промежутках между кромками отверстий катодов и рабочей поверхностью анода такого, что электроны покинувшие катоды в момент приложения высоковольтного импульса напряжения долетят до поверхности анода одновременно и при условии низкого порога эмиссии электронов вызовут поток мягкого рентгеновского излучения большой мощности. Катоды рентгеновской трубки из полиакрилонитрильных углеродных волокон обладают низким порогом эмиссии, что позволяет генерировать мягкое рентгеновское излучение большой мощности. В конструкции импульсной рентгеновской трубки показанной на фиг.1 при работе катода 7, расположенного выше вершины заострения конусной части анода не более чем на 2 мм, рабочей поверхностью анода является вся поверхность заострения конусной части анода от вершины до основания заострения, поэтому фокусом трубки при работе катода 7 является круг с диаметром основания заострения без наличия просвета по центру, т.е. отсутствует недостаток присущий панорамным рентгеновским трубкам с острийным анодом из-за затенения рентгеновского излучения материалом анода лежащего выше плоскости расположения катода в направлении оси прибора. При работе катода 8, расположенного в плоскости проходящей через основание заострения конусной части анода, рабочей поверхностью анода является кольцевая поверхность, являющаяся частью конусной поверхности анода ниже линии пересечения с плоскостью расположения катода 8 в некоторой окрестности этой линии определяемой процессом разлета электронов при взрывной электронной эмиссии. При работе катода 9, расположенного ниже катода 8 на расстояние, находящееся в пределах 3 мм, рабочей поверхностью анода является кольцевая поверхность части конусной поверхности анода, лежащей в окрестности линии пересечения с плоскостью расположения катода 9 с учетом разлета электронов при взрывной электронной эмиссии.The pulsed x-ray tube (figure 1) contains a metal housing 1 in the form of a hollow cylinder, one base of which is connected to a large base of the insulator 2, made in the form of a hollow truncated cone located outside the housing 1, the other base of the housing 1 is connected to a window 3 made in in the form of a cylinder with a beryllium bottom for the release of soft x-ray radiation and through holders 4, 5 and 6, respectively, with cathode 7, first 8 and second 9 additional cathodes, all of which are made of polyacrylonitrile carbon fibers, arranged laid perpendicular to the axis of the device on the holders 4, 5 and 6, having the shape of a bowl with an axial hole in the bottom and fixed to the holders by spot welding using thin metal rings 10, 11 and 12, respectively, while the ends of the carbon fibers form the boundary of the holes of the cathodes axisymmetric relative to the tip anode 13, two protective shields 14 and 15, covering the inner surface of the insulator 2 from sputtering of erosion products of electrode materials, the output of the anode 16, passing along the axis of the device and connected to a smaller base isolate pa 2, exhaust tube 17 for evacuating the X-ray tube, while all the cathodes have one axis of symmetry coinciding with the axis of the tool and are spaced from each other within 3mm. The cathode 7 is located no more than 2 mm above the top of the conical part of the anode 13, the first additional cathode 8 is located directly at the base of the tip of the taper of the anode 13, and the second additional cathode 9 is located below the additional cathode 8. The diameters of the holes in the cathodes are selected based on conditions of greater likelihood of simultaneous emission of electrons from the working surfaces of all cathodes. To ensure the simultaneous operation of all cathodes, the diameter D _{1 of the} hole in the cathode 7 is chosen equal to the diameter D _{2 of the} hole in the cathode 8, and the diameters D ₂ and D _{3 of the} holes in the cathodes 8 and 9, respectively, and in subsequent cathodes are selected so that the ratio of the cross-section diameters d a point anode with planes of cathode arrangements to the hole diameters in them within 0.37 ± 25%. Under such conditions, the distribution of the electric field between the edges of the holes of the cathodes and the working surface of the anode such that the electrons leaving the cathodes at the time of applying a high-voltage voltage pulse will reach the surface of the anode at the same time and with a low threshold of electron emission will cause a high-power soft X-ray flux. The cathodes of an X-ray tube made of polyacrylonitrile carbon fibers have a low emission threshold, which allows generating high-power soft X-rays. In the design of the pulsed x-ray tube shown in FIG. 1 during operation of the cathode 7, located not more than 2 mm above the tip of the taper of the anode, the working surface of the anode is the entire taper surface of the taper of the anode from the tip to the base of the taper, so the focus of the tube during operation cathode 7 is a circle with a diameter of the base of the point without the presence of a gap in the center, i.e. there is no disadvantage inherent in panoramic x-ray tubes with a pointed anode due to the shading of x-ray radiation by the material of the anode lying above the cathode plane in the direction of the axis of the device. When the cathode 8 is located in the plane passing through the base of the taper of the conical part of the anode, the working surface of the anode is an annular surface, which is part of the conical surface of the anode below the line of intersection with the plane of the cathode 8 in a certain vicinity of this line determined by the process of electron expansion during explosive electron emission. When the cathode 9 is located below the cathode 8 by a distance within 3 mm, the working surface of the anode is the annular surface of the conical surface of the anode lying in the vicinity of the line of intersection with the plane of the cathode 9, taking into account the expansion of electrons during explosive electron emission.

Одновременная работа катодов 7, 8 и 9 значительно расширяет рабочую поверхность анода, что уменьшает эрозию материала анода и способствует увеличению долговечности в заданном эксплуатационном режиме, а также дает мощный поток мягкого рентгеновского излучения при использовании в качестве материала катода полиакрилонитрильных углеродных волокон. Максимальный диаметр фокусного пятна определяется работой катода 9 и при выборе диаметра основания заострения вершины конусной части анода равной 0,5 мм, α=10°, расстояния между катодами h=3 мм составляет не более 1,5 мм.The simultaneous operation of cathodes 7, 8, and 9 significantly expands the working surface of the anode, which reduces the erosion of the anode material and contributes to an increase in durability in a given operating mode, as well as gives a powerful flow of soft x-ray radiation when using polyacrylonitrile carbon fibers as the cathode material. The maximum diameter of the focal spot is determined by the operation of the cathode 9 and when choosing the diameter of the base of the tip of the tip of the conical part of the anode equal to 0.5 mm, α = 10 °, the distance between the cathodes h = 3 mm is not more than 1.5 mm.

Указанный выбор диаметров отверстий в катодах, их взаимного расположения и угла α конусной части анода в интервале 10÷20° создает при работе трубки примерно равные условия срабатывания промежутков между катодами и анодом, а в процессе тренировки импульсной рентгеновской трубки предлагаемой конструкции происходит выравнивание условий срабатывания трубки с разными катодами за счет выработки материала катодов. После тренировки импульсная рентгеновская трубка работает с обеспечением эмиссии электронов с большей части острий рабочих поверхностей всех катодов (с торцов углеродных волокон), что способствует генерации мощного рентгеновского излучения. Рабочая поверхность анода в этом случае является вся конусная поверхность от сечения плоскостью расположения третьего катода до вершины.The specified choice of the diameters of the holes in the cathodes, their relative position and the angle α of the conical part of the anode in the range of 10 ÷ 20 ° creates approximately equal conditions for the operation of the gaps between the cathodes and the anode during tube operation, and during the training of the pulsed x-ray tube of the proposed design, the conditions for the tube actuation with different cathodes due to the development of cathode material. After training, the pulsed x-ray tube works to ensure electron emission from most of the tips of the working surfaces of all cathodes (from the ends of the carbon fibers), which contributes to the generation of powerful x-ray radiation. The working surface of the anode in this case is the entire conical surface from the section of the plane of the third cathode to the top.

В процессе проведения работ в ОАО «Плазма» г.Рязань по созданию импульсных рентгеновских трубок с острийным анодом (панорамного облучения) ИРТП-240, ИРТП3-150Д, ИРТП3-Д, ИРТП4-240Д была выявлена закономерность зависимости приведенной интегральной дозы рентгеновского излучения от отношения диаметра сечения острийного анода с плоскостью расположения катода к диаметру осесимметричного отверстия в нем. На фиг.2 представлена данная зависимость D/D_max=f(d/Д), где:In the process of carrying out work at Plazma OJSC in Ryazan to create pulsed x-ray tubes with a pointed anode (panoramic irradiation) IRTP-240, IRTP3-150D, IRTP3-D, IRTP4-240D, the regularity of the dependence of the reduced integral dose of x-ray radiation on the ratio the diameter of the cross section of the tip anode with the plane of the cathode to the diameter of the axisymmetric hole in it. Figure 2 presents this dependence D / D _max = f (d / D), where:

D - интегральная доза рентгеновского излучения;D is the integral dose of x-ray radiation;

D_max - максимальная интегральная доза рентгеновского излучения;D _max - the maximum integral dose of x-ray radiation;

d - диаметр сечения острийного анода плоскостью расположения катода;d is the diameter of the cross section of the tip anode by the plane of the cathode;

Д - диаметр отверстия в катоде.D is the diameter of the hole in the cathode.

Как видно из зависимости (фиг.2) наибольшая приведенная интегральная доза рентгеновского излучения соответствует значению d/D≈0,37, а при изменении этого соотношения в пределах 0,25≤d/D≤0,5 приведенная интегральная доза не изменяется более чем на 10%.As can be seen from the dependence (Fig. 2), the largest reduced integral dose of x-ray radiation corresponds to d / D≈0.37, and when this ratio changes within 0.25≤d / D≤0.5, the reduced integral dose does not change more than on 10%.

Условия, оговоренные в предлагаемой заявке, с целью получения острофокусной трубки с диаметром фокусного пятна не более 1,5 мм для случая с тремя катодами определяют угол конусной части анода а по формуле:The conditions specified in the proposed application, in order to obtain a sharp focus tube with a focal spot diameter of not more than 1.5 mm for a case with three cathodes, determine the angle of the conical part of the anode a by the formula:

α=2·arctg(d₃-d₂)/2h,α = 2 arctg (d ₃ -d ₂ ) / 2h,

где: d₂ - диаметр основания заострения вершины конусной части анода через которое проходит плоскость расположения второго катода;where: d ₂ is the diameter of the base of the tip of the apex of the anode through which the plane of the second cathode passes;

d₃ - диаметр сечения анода плоскостью расположения третьего катода;d ₃ - the diameter of the anode section by the plane of the third cathode;

h - расстояние между катодами.h is the distance between the cathodes.

С конструктивной точки зрения для обеспечения максимальной рабочей поверхности анода и равномерной выработки с учетом разлета электронов при взрывной эмиссии целесообразно принимать h в пределах 2,5÷5,0 мм. Тогда, рассчитывая по формуле, имеем α≈10÷20°.From a structural point of view, to ensure the maximum working surface of the anode and uniform output, taking into account the expansion of electrons during explosive emission, it is advisable to take h in the range of 2.5 ÷ 5.0 mm. Then, calculating according to the formula, we have α≈10 ÷ 20 °.

При подаче ускоряющего импульса высокого напряжения на анод 13 (катоды 7, 8 и 9 заземлены) в межэлектродном пространстве создается высокая напряженность электрического поля с максимальным значением в непосредственной близости от вершины конусной части анода и внутренней кромки отверстия в катоде 7, а также в межэлектродном пространстве между внутренней кромкой отверстия в катоде 8 и анодом 13, вызывающая автоэлектронную эмиссию с внутренних кромок отверстий катодов 7, 8 и 9, переходящую в взрывную эмиссию электронов с образованием потока электронов, двигающихся к аноду 13. В результате соударения электронов с анодом 13 и их торможения происходит генерация рентгеновского излучения. Максимальный диаметр фокусного пятна в этой конструкции рентгеновской трубки определяется диаметром сечения анода 13 плоскостью расположения катода 9, а рабочая поверхность анода является конусная поверхность от сечения плоскостью расположения катода 9 до вершины конусной части анода 13.When a high voltage accelerating pulse is applied to anode 13 (cathodes 7, 8 and 9 are grounded), a high electric field is created in the interelectrode space with a maximum value in the immediate vicinity of the apex of the anode cone and the inner edge of the hole in the cathode 7, as well as in the interelectrode space between the inner edge of the hole in the cathode 8 and the anode 13, which causes field emission from the inner edges of the holes of the cathodes 7, 8, and 9, transforming into explosive emission of electrons with the formation of an electron beam thrones, moving towards the anode 13. The collision of electrons with the anode 13 and braking are generated x-ray radiation. The maximum diameter of the focal spot in this design of the x-ray tube is determined by the diameter of the cross section of the anode 13 by the plane of the location of the cathode 9, and the working surface of the anode is the conical surface from the section by the plane of the location of the cathode 9 to the top of the conical part of the anode 13.

На основании заявленного технического решения были изготовлены и испытаны три макетных образца импульсной рентгеновской трубки с использованием базовой конструкции ИРТП-150Д, выпускаемой ОАО "Плазма" г.Рязань, с тремя катодами, расположенными осесимметрично относительно анода, первый из которых расположен выше вершины заострения конусной части анода на расстояние 2 мм, второй - первый дополнительный катод расположен в плоскости, проходящей через основание заострения вершины конусной части анода, а третий - второй дополнительный катод расположен ниже второго на расстояние 3 мм. Катоды выполнены из полиакрилонитрильных углеродных волокон.Based on the claimed technical solution, three prototype pulsed X-ray tubes were manufactured and tested using the basic design of IRTP-150D manufactured by Plazma, Ryazan, with three cathodes located axisymmetrically relative to the anode, the first of which is located above the tip of the taper of the conical part the anode to a distance of 2 mm, the second — the first additional cathode is located in the plane passing through the base of the point apex of the conical part of the anode, and the third — the second additional cathode 3 mm below the second. The cathodes are made of polyacrylonitrile carbon fibers.

Сравнительные измерения диаметра фокусного пятна макетных образцов импульсных рентгеновских трубок с различными углами конусной части анода приведены в таблице:Comparative measurements of the diameter of the focal spot of breadboard models of pulsed x-ray tubes with different angles of the conical part of the anode are given in the table:

Угол конусной части анода α, °The angle of the conical part of the anode α, ° Диаметр сечения анода плоскостью расположения третьего катодаThe diameter of the anode section by the plane of the third cathode Расстояние между дополнительными катодами h, ммDistance between additional cathodes h, mm Диаметр фокусного пятна F, ммThe diameter of the focal spot F, mm 1010 1,041,04 33 1,151.15 20twenty 1,41.4 33 1,51,5 30thirty 2,12.1 33 2,32,3

Выбор угла конусной части анода менее 10° не целесообразен по конструктивным соображениям, т.к. уменьшается рабочая поверхность анода, что ограничивает ресурс работы рентгеновской трубки, и конусная часть анода, лежащая выше плоскости третьего катода, ослабляет рентгеновское излучение по оси прибора. Как видно из таблицы при увеличении угла конусной части анода свыше 20° диаметр фокусного пятна заметно увеличивается. Как показали измерения диаметра фокусного пятна, приведенные в таблице, его размер практически определяются величиной диаметра сечения анода плоскостью расположения третьего катода. Следовательно, для создания острофокусной трубки с диаметром фокусного пятна менее 1,5 мм необходимо выбирать угол конусной части анода от 10° до 20°.The choice of the angle of the conical part of the anode of less than 10 ° is not advisable for design reasons, because the working surface of the anode decreases, which limits the life of the X-ray tube, and the conical part of the anode lying above the plane of the third cathode weakens the X-ray radiation along the axis of the device. As can be seen from the table, with an increase in the angle of the conical part of the anode over 20 °, the diameter of the focal spot noticeably increases. As the measurements of the diameter of the focal spot shown in the table showed, its size is practically determined by the diameter of the anode cross section by the plane of the third cathode. Therefore, to create a sharp focus tube with a focal spot diameter of less than 1.5 mm, it is necessary to choose the angle of the conical part of the anode from 10 ° to 20 °.

Проводились сравнительные измерения величины дозы рентгеновского излучения макетных образцов по предлагаемой заявке за один импульс непосредственно у окна рентгеновской трубки с обычной рентгеновской трубкой с одним катодом при напряжении на аноде 104 кВ и длительности импульса 10 не. Катоды всех трубок выполнены из полиакрилонитрильных углеродных волокон. Для трубки с одним катодом доза рентгеновского излучения была равна 30 мР за импульс, а для макетных образцов предлагаемой конструкции она составила около 50 мР.Comparative measurements of the x-ray dose of the prototype samples were carried out according to the proposed application for one pulse directly at the window of the x-ray tube with a conventional x-ray tube with one cathode at an anode voltage of 104 kV and a pulse duration of 10 ns. The cathodes of all tubes are made of polyacrylonitrile carbon fibers. For a tube with one cathode, the dose of x-ray radiation was 30 mR per pulse, and for prototypes of the proposed design, it was about 50 mR.

Проводились также сравнительные измерения макетных образцов импульсных рентгеновских трубок с различными углами заострения вершин. Установлено, что при угле заострения менее 60° фокусное пятно имеет форму круга, без просвета по центру, что гарантирует высокое качество промышленной и медицинской диагностики.Comparative measurements of breadboard models of pulsed x-ray tubes with different peaks were also carried out. It was found that at an angle of sharpening less than 60 ° the focal spot has the shape of a circle, without a gap in the center, which guarantees high quality industrial and medical diagnostics.

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет создать острофокусную импульсную рентгеновскую трубку с диаметром фокуса менее 1,5 мм с большой мощностью рентгеновского излучения мягкого диапазона, обеспечивающего высокий контраст изображений при работе с объектами разной оптической плотности и осуществлять контроль объектов с повышенной разрешающей способностью за счет меньшей геометрической нерезкости.Thus, the claimed technical solution allows you to create a sharp focus X-ray tube with a focus diameter of less than 1.5 mm with a large x-ray power of the soft range, which provides high contrast images when working with objects of different optical density and to control objects with high resolution due to lower geometric blur.

Claims

A pulsed x-ray tube containing a metal housing in the form of a hollow cylinder, one base of which is connected to a large base of an insulator made in the form of a hollow truncated cone and located outside the housing, and the other base of the housing is connected to a window for outputting x-ray radiation and a cathode with an axisymmetric hole relative to the anode made in the form of a cylindrical rod turning into a cone directed towards the window, the anode terminal passing along the axis of the device in the plane of the insulator and connected with its smaller base, characterized in that N≥2 additional cathodes are arranged coaxially below the cathode, spaced about 3 mm apart, having axial holes through which the conical part of the anode passes through the window no more than 60 °, located below the cathode location plane at a distance of no more than 2 mm, while the diameter of the hole of the first additional cathode is equal to the diameter of the cathode hole, supplement the ratio of the diameters of the anode sections with the planes flax cathodes to the corresponding diameters of the holes in them is 0.37 ± 25%, and the narrowing angle of the conical part of the anode is 10-20 °.