RU2344513C2

RU2344513C2 - Modular x-ray tube and method of its production

Info

Publication number: RU2344513C2
Application number: RU2006123406/28A
Authority: RU
Inventors: Марк МИЛЬДНЕР (CH); Марк МИЛЬДНЕР; Курт ХОЛЬМ (CH); Курт ХОЛЬМ
Original assignee: Комет Холдинг АГ
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2009-01-20
Also published as: RU2006123406A

Abstract

FIELD: physics, medicine.

SUBSTANCE: proposed modular X-ray tube (10) has anode (20) and cathode (30) located in evacuated chamber (40) opposite each other. Note that electrons (e^-) are generated on cathode (30) to be accelerated by high voltage towards anode (20) and to generate x-ray radiation (γ). Mind that x-ray tube (10) incorporates some accelerating modules, supplementing each other, (41, …,45), everyone comprising at least one potential-carrying electrode (20/30/423/433/443). The first accelerating module (41) comprises cathode (30) picking off electrons (e^-) while and the second accelerating module (45) contains anode (20) with generating x-ray radiation. Note here that x-ray tube (10) contains at least one additional accelerating module (42, …,44) with potential-carrying electrode (423/433/443), and the electron accelerating module (42, …,44) gets arbitrarily connected in series.

EFFECT: higher-power smaller-sizes x-ray tube, better reparability.

21 cl, 13 dwg

Description

Данное изобретение касается рентгеновской трубки для высоких мощностей дозы облучения, соответствующего способа выработки высоких мощностей дозы облучения с помощью рентгеновских трубок, а также способа изготовления соответствующих рентгеновских устройств, в которых анод и катод расположены в вакуумированной полости противоположными друг другу, причем электроны ускоряются посредством приложенного к аноду высокого напряжения.The present invention relates to an X-ray tube for high radiation dose rates, a corresponding method for generating high radiation dose rates using X-ray tubes, and a method for manufacturing corresponding X-ray devices in which the anode and cathode are opposed to each other in an evacuated cavity, and the electrons are accelerated by high voltage anode.

Использование рентгеновских трубок в научных и технических областях применения широко распространено. Рентгеновские трубки находят применение не только в медицине, например в системах диагностики или в терапевтических системах для облучения больных тканей, но они применяются также, например, для стерилизации материалов, таких как кровь или пищевые продукты, или для стерилизации (половой стерилизации) живых организмов, таких как насекомые. Другие области применения также находятся в традиционной рентгенотехнике, такой как, например, просвечивание багажных мест и/или транспортных контейнеров, или неразрушающий контроль деталей, например бетонной арматуры, и т.д. В предшествующем уровне техники описаны разные способы изготовления и устройства рентгеновских трубок. Они распространяются от миниатюрных трубок в форме корпуса транзистора до мощных ламп с ускоряющим напряжением вплоть до 450 кВ. Кроме того, в самое последнее время большие затраты и усилия в промышленности и технике употребляются на то, чтобы улучшить мощность и/или эффективность, и/или долговечность, и/или возможность обслуживания систем облучения. Эти усилия вызваны, в частности, новыми требованиями к системам безопасности, таким как, например, при просвечивании больших грузовых контейнеров в воздушном сообщении и т.д., и подобным им устройствам.The use of x-ray tubes in scientific and technical applications is widespread. X-ray tubes are used not only in medicine, for example, in diagnostic systems or in therapeutic systems for irradiating diseased tissues, but they are also used, for example, to sterilize materials such as blood or food products, or to sterilize (sexually sterilize) living organisms, such as insects. Other applications are also found in traditional X-ray technology, such as, for example, screening of baggage places and / or transport containers, or non-destructive testing of parts, such as concrete fittings, etc. In the prior art, various manufacturing methods and devices for x-ray tubes are described. They extend from miniature tubes in the form of a transistor housing to high-power lamps with an accelerating voltage up to 450 kV. In addition, in recent years, large expenditures and efforts in industry and technology have been used to improve power and / or efficiency and / or durability and / or the ability to service irradiation systems. These efforts are caused, in particular, by new requirements for security systems, such as, for example, when radiating large cargo containers in air traffic, etc., and similar devices.

Традиционные рентгеновские трубки применяемых в промышленных условиях типов выполнены либо из стекла, либо из металлокерамических комбинированных материалов. На фиг.1 схематично изображен пример такой традиционной рентгеновской трубки из стеклянного материала. На фиг.2 и 3 показаны традиционные рентгеновские трубки из металлокерамических комбинированных материалов. В рентгеновских трубках электроны проходят сквозь электрическое поле в вакуумированной трубке. При этом они ускоряются до своей конечной энергии и преобразовывают ее на поверхности мишени в рентгеновское излучение. Т.е. рентгеновские трубки содержат анод и катод, которые расположены противоположными друг другу в вакуумированной полости и которые в металлокерамических трубках заключены в цилиндрической металлической детали (фиг.2/3), а в стеклянных трубках - в стеклянном цилиндре. В стеклянных трубках стекло действует как изолятор. В металлокерамических трубках, напротив, анод и/или катод обычно электрически изолирован посредством керамического изолятора, причем один или несколько керамических изоляторов расположены по оси металлического цилиндра за анодом и/или катодом и замыкают вакуумное пространство на соответствующем конце. Керамические изоляторы в типичном случае выполнены дискообразными (кольцеобразными) или коническими. Принципиально в этих типах трубок была бы возможна любая геометрия изоляторов, причем при высоких напряжениях должно учитываться превышение поля. Как правило, керамические изоляторы имеют в свой середине отверстие, в которое вакуум-плотно вставлен ввод высокого напряжения к аноду или к катоду. Этот тип рентгеновских трубок в предшествующем уровне техники также называют двухполюсными или биполярными рентгеновскими трубками (фиг.3). От них отличаются так называемые униполярные устройства (фиг.2), в которых анод, т.е. мишень, подключен к потенциалу «земли». В биполярных системах источник электронов (катод) находится под отрицательным высоким напряжением (ВН), а мишень (анод) находится под положительным высоким напряжением. Во всех известных из уровня техники конструктивных формах, однако, полное ускоряющее напряжение для ускорения электронов прикладывается (одноступенчато) между анодом и катодом. Следует обратить внимание также на то, что есть решения, в которых между анодом и катодом установлена находящаяся под потенциалом «земли» диафрагма (промежуточная диафрагма). Эта промежуточная диафрагма может служить для них в качестве электронно-оптической линзы, но также и в качестве механической диафрагмы для рассеивающихся обратно от мишени электронов.Traditional x-ray tubes used in industrial conditions are made of either glass or metal-ceramic composite materials. Figure 1 schematically shows an example of such a traditional x-ray tube made of glass material. Figures 2 and 3 show traditional x-ray tubes made of cermet composite materials. In X-ray tubes, electrons pass through an electric field in a vacuum tube. At the same time, they accelerate to their final energy and convert it on the surface of the target into x-ray radiation. Those. X-ray tubes contain an anode and a cathode, which are located opposite to each other in a vacuum cavity and which are enclosed in metal-ceramic tubes in a cylindrical metal part (Fig. 2/3), and in glass tubes in a glass cylinder. In glass tubes, glass acts as an insulator. In ceramic-metal tubes, in contrast, the anode and / or cathode is usually electrically insulated by a ceramic insulator, with one or more ceramic insulators located along the axis of the metal cylinder behind the anode and / or cathode and close the vacuum space at the corresponding end. Ceramic insulators are typically disk-shaped (ring-shaped) or conical. Fundamentally, in these types of tubes any geometry of insulators would be possible, and at high voltages the excess of the field should be taken into account. As a rule, ceramic insulators have a hole in their middle in which a high voltage input is inserted into the vacuum or to the cathode. This type of x-ray tubes in the prior art is also called bipolar or bipolar x-ray tubes (figure 3). The so-called unipolar devices (FIG. 2), in which the anode, i.e. target connected to the potential of the "earth". In bipolar systems, the electron source (cathode) is under negative high voltage (HV), and the target (anode) is under positive high voltage. In all structural forms known from the prior art, however, a full accelerating voltage for accelerating electrons is applied (in one step) between the anode and cathode. You should also pay attention to the fact that there are solutions in which between the anode and cathode a diaphragm (intermediate diaphragm) located under the potential of the “earth” is installed. This intermediate diaphragm can serve for them as an electron-optical lens, but also as a mechanical diaphragm for electrons scattered back from the target.

Проблемы или недостатки, которые возникают посредством этих одноступенчатых конструкций, заключаются в том, что при возрастающих приложенных напряжениях также возрастает вероятность возмущающего физического эффекта. Это ограничивает в настоящее время рентгеновские трубки согласно уровню техники по прикладываемым напряжениям при униполярных трубках максимум примерно 200-300 кВ, а при биполярных устройствах - максимум примерно 450 кВ. Как только что упоминалось, наряду с желаемой генерацией рентгеновского излучения при эксплуатации рентгеновской трубки возникают дополнительные физические эффекты, такие как, например, автоэлектронная (полевая) эмиссия, вторичная электронная эмиссия и фотоэффект, которые ограничивают работоспособность трубки. Эти эффекты, однако, не только мешают работе рентгеновской трубки, но и могут приводить к повреждению материала и вместе с тем к преждевременной усталости деталей. В частности, вторичная электронная эмиссия известна нанесением ущерба работе рентгеновских трубок. В случае вторичной электронной эмиссии при попадании электронного пучка на анод наряду с рентгеновским излучением возникают нежелательные, но неизбежные вторичные электроны, которые внутри рентгеновской трубки перемещаются по путям, соответствующим силовым линиям поля. Эти вторичные электроны посредством различных процессов рассеивания и столкновения могут попадать на поверхность изолятора и поэтому понижать изоляционные свойства по отношению к высокому напряжению. Вторичные электроны возникают, однако, также вследствие того, что изоляторы на аноде и/или катоде при работе задеваются неизбежными электронами автоэлектронной эмиссии и поэтому испускают вторичные электроны. Электрическое поле возникает при включенном высоком напряжении на аноде и катоде, т.е. при работе рентгеновской трубки, в полости или обращенной к полости поверхности. Оно охватывает также поверхности изолятора. Чем короче рентгеновская трубка и чем шире керамический изолятор, тем больше вероятность того, что вторичные электроны и/или электроны автоэлектронной эмиссии попадут на эту или эти керамическую(ие) деталь(и). Это ведет к тому, что устойчивость к высокому напряжению и долговечность устройства нежелательным образом понижаются. Поэтому при дискообразных изоляторах из предшествующего уровня техники, например из DE 2855905, известно применение так называемых экранированных электродов. Экранированные электроды могут, например, применяться парами, причем они расположены в рентгеновской трубке вращательно-симметричной формы в большинстве случаев соосно на определенном расстоянии с тем, чтобы оптимальным образом препятствовать распространению вторичных электронов. Как было показано, такие устройства, однако, уже не могут использоваться при очень высоком напряжении. К тому же затраты на материалы и изготовление при таких конструкциях больше, чем в случае рентгеновских трубок только с изоляторами. Другая возможность согласно предшествующему уровню техники показана, например, в DE 6946926. Чтобы уменьшить контактную поверхность, в этих решениях применяется конический керамический изолятор. Керамический изолятор имеет по существу постоянную толщину стенки и покрыт, например, навулканизированым резиновым слоем. Этот слой должен способствовать тому, чтобы вторичные электроны возникали менее интенсивно. Как упоминается, электрическое поле охватывает внутреннее пространство вакуумной полости и также поверхности изолятора. В частности, при конических изоляторах попадающий на изоляторы электрон или вызванный посредством такого попавшего электрона электрон рассеивания ускоряется под действием поля от поверхности в направлении анода. Принципиально изоляционные конусы выполнены так, что вектор нормали электрического поля ускоряет электроны от поверхности изолятора. Изолятор со стороны анода, как и изолятор со стороны катода, выполнен как выступающий во внутреннюю полость усеченный конус, и тогда попадающий на изолятор (например, испускаемый из металлической колбы) электрон также ускоряется к аноду. Конус изолятора со стороны анода выполнен, например, так, что вектор нормали направлен от поверхности. Со стороны анода электрон движется вдоль по поверхности изолятора до тех пор, пока указывающее путь электрическое поле от плоскости изолятора воздействует на электрон. После пробега некоторого пути такой электрон имеет достаточную энергию для того, чтобы эмитировать дополнительные электроны, которые, в свою очередь, снова эмитируют электроны, так что доходит до текущей по поверхности изолятора к аноду электронной лавины, которая может вызывать значительное нарушение, а при известных условиях - также выброс газа или даже пробой изолятора. Чем выше напряжение, тем значительнее этот эффект. Поэтому при очень высоких напряжениях этот тип изоляторов больше не может применяться. К тому же отмечено, что геометрическая длина увеличивается с возрастающим приложенным электрическим полем. Электроны в зависимости от энергии и угла выхода также могут проходить в направлении катода, в особенности - в случае рассеянных электронов. На стороне катода вышеописанный эффект возникает, однако, в меньшей степени, так как электроны, которые со стороны катода доходят до поверхности изолятора или из нее эмитируются, движутся через вакуум в направлении металлического цилиндра, а не вдоль поверхности изолятора. Чтобы преодолеть этот недостаток, в предшествующем уровне техники известны различные решения, например в публикации DE2506841 предложено выполнить со стороны катода изолятор таким образом, что между изолятором и трубкой возникало пустое коническое пространство. Другое решение согласно предшествующему уровню техники приведено, например, в патентном документе ЕР 0215034, где дискообразный изолятор расположен ступенчато относительно металлического цилиндра. Однако было показано, что все предложенные в предшествующем уровне техники решения при высоких напряжениях, т.е., например, выше 150 кВ, имеют нарушения, которые приводят, в том числе, к преждевременному старению материала, и поэтому могут происходить выбросы газа и/или пробои изолятора. Таким образом, известные в предшествующем уровне техники рентгеновские трубки для многих современных областей применения с очень высокими напряжениями (>400 кВ) применимы лишь очень плохо или совсем не применимы.The problems or disadvantages that arise through these single-stage structures are that with increasing applied voltages, the likelihood of a disturbing physical effect also increases. This currently limits the x-ray tubes according to the prior art to applied voltages with unipolar tubes of a maximum of about 200-300 kV, and with bipolar devices a maximum of about 450 kV. As just mentioned, along with the desired generation of x-ray radiation during the operation of the x-ray tube, additional physical effects, such as, for example, field emission, secondary electron emission and photoelectric effect, which limit the tube’s performance, arise. These effects, however, not only interfere with the operation of the X-ray tube, but can also lead to damage to the material and, at the same time, to premature wear of the parts. In particular, secondary electron emission is known to damage the operation of x-ray tubes. In the case of secondary electron emission, when an electron beam hits the anode, along with x-ray radiation, undesirable but inevitable secondary electrons arise that move inside the x-ray tube along paths corresponding to field lines of force. These secondary electrons through various processes of scattering and collision can get on the surface of the insulator and therefore reduce the insulating properties with respect to high voltage. Secondary electrons arise, however, also due to the fact that the insulators on the anode and / or cathode during operation are affected by the inevitable field emission electrons and therefore emit secondary electrons. An electric field occurs when a high voltage is turned on at the anode and cathode, i.e. when operating an X-ray tube, in a cavity or surface facing a cavity. It also covers the surface of the insulator. The shorter the x-ray tube and the wider the ceramic insulator, the greater the likelihood that secondary electrons and / or field emission electrons will fall onto this or these ceramic part (s). This leads to the fact that the resistance to high voltage and durability of the device are undesirably reduced. Therefore, with disk-shaped insulators from the prior art, for example from DE 2855905, the use of so-called shielded electrodes is known. Shielded electrodes can, for example, be used in pairs, and they are located in a rotationally symmetrical X-ray tube in most cases coaxially at a certain distance so as to optimally prevent the propagation of secondary electrons. As shown, such devices, however, can no longer be used at very high voltage. In addition, the cost of materials and manufacturing with such designs is greater than in the case of x-ray tubes only with insulators. Another possibility according to the prior art is shown, for example, in DE 6946926. To reduce the contact surface, a conical ceramic insulator is used in these solutions. The ceramic insulator has a substantially constant wall thickness and is covered, for example, with a vulcanized rubber layer. This layer should help to make secondary electrons appear less intense. As mentioned, the electric field covers the interior of the vacuum cavity and also the surface of the insulator. In particular, with conical insulators, the electron incident on the insulators or the scattering electron caused by such an electron that is incident on it is accelerated by the action of a field from the surface in the direction of the anode. Fundamentally insulating cones are made so that the normal vector of the electric field accelerates the electrons from the surface of the insulator. The insulator on the anode side, as well as the insulator on the cathode side, is made as a truncated cone protruding into the internal cavity, and then the electron incident on the insulator (for example, emitted from a metal bulb) is also accelerated to the anode. The cone of the insulator from the anode side is made, for example, so that the normal vector is directed from the surface. On the anode side, the electron moves along the surface of the insulator until an electric field indicating the path from the plane of the insulator acts on the electron. After a certain path has been traveled, such an electron has enough energy to emit additional electrons, which, in turn, emit electrons again, so that it reaches an electron avalanche flowing along the surface of the insulator to the anode, which can cause significant disturbance, and under certain conditions - also gas release or even breakdown of the insulator. The higher the voltage, the greater this effect. Therefore, at very high voltages, this type of insulator can no longer be used. In addition, it is noted that the geometric length increases with increasing applied electric field. Depending on the energy and the angle of exit, electrons can also pass in the direction of the cathode, especially in the case of scattered electrons. On the cathode side, the above effect occurs, however, to a lesser extent, since the electrons that come from the cathode side or are emitted from the surface of the insulator move through vacuum in the direction of the metal cylinder, and not along the surface of the insulator. In order to overcome this drawback, various solutions are known in the prior art, for example, DE2506841 proposes to make an insulator on the cathode side such that an empty conical space appears between the insulator and the tube. Another solution according to the prior art is given, for example, in patent document EP 0215034, where the disk-shaped insulator is located stepwise relative to the metal cylinder. However, it was shown that all solutions proposed in the prior art at high voltages, i.e., for example, above 150 kV, have violations that lead, among other things, to premature aging of the material, and therefore gas emissions and / or breakdowns of the insulator. Thus, x-ray tubes known in the prior art for many modern applications with very high voltages (> 400 kV) are only very poorly applied or not applicable at all.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить новую рентгеновскую трубку и соответствующий способ изготовления таких рентгеновских трубок, которые не имеют вышеописанных недостатков. В частности, необходимо предложить рентгеновский излучатель, который способен выдавать во много раз большие электрические мощности, чем традиционные рентгеновские излучатели. Кроме того, трубки должны быть выполняемыми модульными и должны изготавливаться просто и экономно. Дополнительно, возможные дефектные детали рентгеновской трубки должны быть заменяемыми, без необходимости замены всей рентгеновской трубки.An object of the present invention is to provide a new X-ray tube and an appropriate method for manufacturing such X-ray tubes that do not have the above-described disadvantages. In particular, it is necessary to propose an x-ray emitter, which is capable of delivering many times greater electrical power than traditional x-ray emitters. In addition, the tubes must be modular and simple and economical to manufacture. Additionally, possible defective parts of the x-ray tube should be replaceable, without the need to replace the entire x-ray tube.

Согласно настоящему изобретению эта цель достигается, в частности, посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения. Дополнительные предпочтительные варианты реализации следуют, кроме того, из зависимых пунктов формулы изобретения и приведенного здесь описания.According to the present invention, this goal is achieved, in particular, by means of features of the independent claims. Further preferred embodiments follow, moreover, from the dependent claims and the description herein.

В частности, эти цели посредством изобретения достигаются с помощью того, что в рентгеновской трубке анод и катод расположены в вакуумированной полости противоположными друг другу, причем на катоде генерируются электроны, посредством прикладываемого высокого напряжения они ускоряются к аноду, и посредством этих электронов на аноде генерируется рентгеновское излучение, при этом рентгеновская трубка содержит несколько дополняющих друг друга ускоряющих модулей, причем эти ускоряющие модули содержат, соответственно, по меньшей мере один потенциалонесущий электрод, причем первый ускоряющий модуль содержит катод с генерированием первичных электронов, а последний ускоряющий модуль содержит анод с генерированием рентгеновского излучения, и при этом рентгеновская трубка содержит по меньшей мере один дополнительный ускоряющий модуль с потенциалонесущим электродом, причем этот ускоряющий модуль для ускорения электронов является сколь угодно часто повторяющимся образом подключаемым последовательно, и при этом рентгеновская трубка выполнена модульной. Анод может содержать мишень для генерирования рентгеновского излучения с окном выхода или может быть выполнен как передающий анод, который снаружи замыкает вакуумированную полость рентгеновской трубки. По меньшей мере один из электродов может иметь сферически или конически выполненные концы для снижения или минимизации превышения поля на соответствующем электроде. Электроды могут быть подсоединены, например, посредством выводов подключения потенциалов, например, к каскаду высокого напряжения. Преимуществом изобретения является, помимо прочего, то, что может быть получено рентгеновское излучение очень высокой мощности, причем геометрические конструктивные размеры рентгеновской трубки, в особенности - относительно трубок согласно предшествующему уровню техники, являются маленькими. Одновременно изобретение дает возможность получить рентгеновскую трубку, которая способна стабильно работать в очень широком диапазоне электрического потенциала без изменения характеристик мощности. Дополнительным преимуществом изобретения является, в том числе, гораздо меньшая нагрузка на изолятор за счет электрического поля. Это особенно проявляется по сравнению с традиционными дискообразными изоляторами. Рентгеновская трубка согласно изобретению может, например, быть изготовлена в одностадийном процессе вакуумной пайки. Это имеет, в частности, то преимущество, что последующее вакуумирование рентгеновской трубки посредством высоковакуумного насоса может быть исключено. Дополнительным преимуществом является то, что рентгеновская трубка согласно изобретению посредством своей простой и модульной конструкции особенно подходит для одноэтапного способа, так как поля внутри трубки намного меньше, чем у традиционных трубок, и тем самым трубка согласно изобретению меньше восприимчива к загрязнениям и/или негерметичным местам.In particular, these goals are achieved by the invention by the fact that in the x-ray tube the anode and cathode are located opposite to each other in the evacuated cavity, and electrons are generated on the cathode, they are accelerated to the anode by the applied high voltage, and by means of these electrons an x-ray is generated on the anode radiation, while the x-ray tube contains several complementary accelerating modules, and these accelerating modules contain, respectively, at least one a potential-carrying electrode, wherein the first accelerating module contains a cathode with generating primary electrons, and the last accelerating module contains an anode with generating x-ray radiation, and the x-ray tube contains at least one additional accelerating module with a potential-carrying electrode, and this accelerating module for accelerating electrons is as often as necessary, connected in series, while the x-ray tube is modular. The anode may contain a target for generating x-ray radiation with an exit window, or may be designed as a transmitting anode that externally closes the evacuated cavity of the x-ray tube. At least one of the electrodes may have spherically or conically shaped ends to reduce or minimize the excess field at the corresponding electrode. The electrodes can be connected, for example, by means of potential connection terminals, for example, to a high voltage cascade. An advantage of the invention is, inter alia, that very high power x-rays can be obtained, the geometric structural dimensions of the x-ray tube, in particular with respect to the tubes of the prior art, being small. At the same time, the invention makes it possible to obtain an X-ray tube that is capable of stably operating in a very wide range of electric potential without changing the power characteristics. An additional advantage of the invention is, inter alia, a much lower load on the insulator due to the electric field. This is especially true when compared to traditional disk-shaped insulators. An x-ray tube according to the invention can, for example, be manufactured in a one-step vacuum brazing process. This has, in particular, the advantage that subsequent evacuation of the X-ray tube by means of a high vacuum pump can be eliminated. An additional advantage is that the x-ray tube according to the invention, due to its simple and modular design, is particularly suitable for a one-step method, since the fields inside the tube are much smaller than traditional tubes, and thus the tube according to the invention is less susceptible to dirt and / or leaky places .

В одном варианте реализации разность потенциалов между соответствующими двумя потенциалонесущими электродами соседних ускоряющих модулей для всех ускоряющих модулей выбирается постоянной, причем конечная энергия ускоренных электронов является целочисленно кратной энергии одного ускоряющего модуля. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что нагрузка на изоляторы на всем протяжении является постоянной, и при этом не происходит превышений поля, которые могут отрицательным образом сказываться на производительности трубки.In one embodiment, the potential difference between the corresponding two potential-bearing electrodes of adjacent accelerating modules for all accelerating modules is chosen constant, and the final energy of accelerated electrons is an integer multiple of the energy of one accelerating module. This embodiment has, among other things, the advantage that the load on the insulators is constant over the entire length, and there is no excess of the field, which can adversely affect the performance of the tube.

В другом варианте реализации по меньшей мере один из ускоряющих модулей имеет повторно закрывающийся вакуумный клапан. Ускоряющие модули могут при этом быть снабжены с одной стороны или с двух сторон вакуумным уплотнением с тем, чтобы обеспечить воздухогерметичное смыкание между отдельными ускоряющими модулями. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что посредством вакуумного клапана отдельные детали рентгеновской трубки могут быть заменены, без необходимости подобной замены всей трубки, как в случае традиционных трубок. Так как предложенная трубка выполнена модульной, это позволяет впоследствии также без проблем приспосабливать трубку к измененным условиям эксплуатации тем, что вводятся дополнительные ускоряющие модули или удаляются существующие модули. Это невозможно ни в одной из трубок согласно предшествующему уровню техники.In another embodiment, at least one of the acceleration modules has a resealable vacuum valve. The acceleration modules can be provided with a vacuum seal on one side or on both sides in order to provide air-tight closure between the individual acceleration modules. This embodiment also has the advantage that by means of a vacuum valve the individual parts of the x-ray tube can be replaced without the need for a similar replacement of the entire tube, as in the case of traditional tubes. Since the proposed tube is made modular, this subsequently also makes it possible to adapt the tube to the altered operating conditions without problems by introducing additional accelerating modules or removing existing modules. This is not possible in any of the tubes according to the prior art.

В одном дополнительном варианте реализации ускоряющий модуль ускорения содержит цилиндрический изоляционный керамический элемент. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что механические конструктивные трудозатраты при умеренной нагрузке под действием электрического поля незначительны, причем достижимы необыкновенно высокие характеристики мощности.In one additional embodiment, the acceleration acceleration module comprises a cylindrical insulating ceramic element. This embodiment has, among other things, the advantage that mechanical constructive labor costs at moderate load under the influence of an electric field are negligible, and unusually high power characteristics are achievable.

В еще одном варианте реализации этот изоляционный керамический элемент имеет высокоомное внутреннее покрытие. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что избегаются возмущающие заряды вследствие рассеянных электронов, вызванных, с одной стороны, посредством обусловленного полем процесса в изоляционном материале, а с другой стороны - посредством рассеиваемых обратно от анодной мишени вторичных электронов или посредством электронов автоэлектронной эмиссии. Вместе с тем, может быть дополнительно повышен срок службы рентгеновских трубок и/или разности потенциалов между отдельными ускоряющими электродами.In yet another embodiment, this insulating ceramic element has a high resistance inner coating. This embodiment has, among other things, the advantage that perturbing charges due to scattered electrons are avoided, caused, on the one hand, by a process due to the field in the insulating material, and on the other hand, by secondary electrons scattered back from the anode target or by electrons field emission. At the same time, the service life of the X-ray tubes and / or the potential difference between the individual accelerating electrodes can be further increased.

В одном варианте реализации изоляционный керамический элемент 53 имеет ребристую внешнюю структуру. Посредством такой формы изоляционного керамического элемента 53 протяженность изоляции на внешней стороне (стороне атмосферы) изолятора может удлиняться. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что он имеет выполненную соответствующей высокому напряжению внешнюю структуру. Эта внешняя структура дополнительно делает возможным улучшенное эффективное охлаждение рентгеновской трубки.In one embodiment, the insulating ceramic element 53 has a ribbed external structure. By this form of the ceramic insulating element 53, the length of the insulation on the outside (atmosphere side) of the insulator can be extended. This embodiment has, among other things, the advantage that it has an external structure made corresponding to high voltage. This external structure further enables improved effective cooling of the x-ray tube.

В одном варианте реализации электроды ускоряющего модуля содержат экран для подавления потока рассеянных электронов к изоляционному керамическому элементу. По меньшей мере один из этих экранов может иметь сферически или конически выполненные концы для снижения или минимизации превышения поля на соответствующем экране. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что экраны образуют дополнительную защиту для изоляционных керамических элементов. Вместе с тем, дополнительно могут быть повышены срок службы рентгеновских трубок и/или разности потенциалов между отдельными ускоряющими электродами.In one embodiment, the electrodes of the accelerating module comprise a screen for suppressing the flux of scattered electrons to the insulating ceramic element. At least one of these screens may have spherically or conically shaped ends to reduce or minimize exceeding the field on the corresponding screen. This embodiment has, among other things, the advantage that the screens provide additional protection for the insulating ceramic elements. At the same time, the service life of the X-ray tubes and / or the potential difference between the individual accelerating electrodes can be further increased.

В еще одном варианте реализации рентгеновскую трубку согласно изобретению изготавливают одноэтапным способом. Это имеет, в том числе, то преимущество, что заключительное вакуумирование рентгеновской трубки 10 посредством высоковакуумных насосов может быть исключено. Дополнительным преимуществом одноэтапного способа, т.е. одностадийного способа изготовления посредством общей пайки трубки в вакууме (одноэтапный способ), в том числе, является то, что существует один единственный процесс изготовления, а не три, как традиционно: 1. Узловая пайка. 2. Узловая сборка (например, пайка или сварка). 3. Вакуумирование трубки посредством вакуумного насоса. Поэтому одностадийный способ изготовления является экономически более эффективным, более времясберегающим и дешевым. Одновременно при этом способе в случае подходящего технологического процесса можно минимизировать загрязнение трубки. Тем не менее, может оказаться предпочтительным, когда трубка уже в значительной степени свободна от загрязнений, что, как правило, минимизирует диэлектрическую (пробивную) прочность изоляционных керамических элементов. Требования к вакуумной герметичности для трубок 10 при одноэтапном способе в большинстве случаев являются такими же, что и при многостадийных способах изготовления.In yet another embodiment, an x-ray tube according to the invention is produced in a one-step process. This has the advantage, among other things, that the final evacuation of the X-ray tube 10 by means of high-vacuum pumps can be eliminated. An additional advantage of the one-step method, i.e. a one-stage method of manufacturing by means of general soldering of a tube in a vacuum (one-stage method), including the fact that there is one single manufacturing process, and not three, as is traditional: 1. Nodal soldering. 2. Nodal assembly (eg soldering or welding). 3. Vacuuming the tube by means of a vacuum pump. Therefore, a one-stage manufacturing method is more cost-effective, more time-saving and cheaper. At the same time, with this method, in the case of a suitable process, tube contamination can be minimized. However, it may be preferable when the tube is already substantially free of contaminants, which, as a rule, minimizes the dielectric (breakdown) strength of the insulating ceramic elements. The vacuum tightness requirements for tubes 10 in a single-stage process are in most cases the same as in multi-stage manufacturing methods.

В этом месте необходимо указать, что настоящее изобретение, наряду со способом согласно изобретению, также относится к устройству для выполнения этого способа, а также к способу изготовления такого устройства. В частности, он относится также к системам облучения, которые содержат по меньшей мере одну рентгеновскую трубку согласно изобретению с одним или несколькими каскадами высокого напряжения для обеспечения питанием упомянутой по меньшей мере одной рентгеновской трубки.At this point it is necessary to indicate that the present invention, along with the method according to the invention, also relates to a device for performing this method, as well as to a method for manufacturing such a device. In particular, it also relates to irradiation systems that comprise at least one X-ray tube according to the invention with one or more high voltage stages to provide power to said at least one X-ray tube.

Далее варианты реализации данного изобретения будут описаны на основе примеров. Примеры вариантов реализации проиллюстрированы следующими приложенными чертежами.Further, embodiments of the present invention will be described based on examples. Examples of embodiments are illustrated by the following attached drawings.

На фиг.1 показана структурная схема, которая схематично показывает рентгеновскую трубку 10 из стеклянного материала согласно предшествующему уровню техники. При этом электроны е^- эмитируются из катода 30, а рентгеновские лучи γ излучаются из анода 20 через окно 201. Позицией 50 обозначена цилиндрическая стеклянная трубка, причем стекло служит в качестве изолятора.Figure 1 shows a block diagram that schematically shows an x-ray tube 10 made of glass material according to the prior art. In this case, the electrons e ^- are emitted from the cathode 30, and the x-rays γ are emitted from the anode 20 through the window 201. Position 50 denotes a cylindrical glass tube, and the glass serves as an insulator.

На фиг.2 показана структурная схема, которая схематично показывает униполярную рентгеновскую трубку 10 из металлокерамического комбинированного материала согласно предшествующему уровню техники. Позицией 51 обозначен керамический изолятор, позицией 52 обозначен подключенный к «земле» металлический цилиндр. При этом электроны е^- эмитируются из катода 30, а рентгеновские лучи γ излучаются из анода 20 через окно 201.Figure 2 shows a structural diagram that schematically shows a unipolar x-ray tube 10 made of cermet composite material according to the prior art. 51 indicates a ceramic insulator, 52 indicates a metal cylinder connected to the ground. In this case, the electrons e ^- are emitted from the cathode 30, and x-rays γ are emitted from the anode 20 through the window 201.

На фиг.3 показана структурная схема, которая схематично показывает биполярную рентгеновскую трубку 10 также из металлокерамического комбинированного материала согласно предшествующему уровню техники. Позицией 51 обозначен керамический изолятор, позицией 52 обозначен подключенный к «земле» металлический цилиндр. При этом электроны е^- эмитируются из катода 30, а рентгеновские лучи γ излучаются из анода 20 через окно 201.Figure 3 shows a structural diagram that schematically shows a bipolar x-ray tube 10 also of a ceramic-metal composite material according to the prior art. 51 indicates a ceramic insulator, 52 indicates a metal cylinder connected to the ground. In this case, the electrons e ^- are emitted from the cathode 30, and x-rays γ are emitted from the anode 20 through the window 201.

На фиг.4 показана структурная схема, которая схематично показывает пример внешнего вида рентгеновской трубки 10 согласно изобретению.Figure 4 shows a structural diagram that schematically shows an example of the appearance of the x-ray tube 10 according to the invention.

На фиг.5 показана структурная схема, которая схематично показывает архитектуру одного варианта реализации рентгеновской трубки 10 согласно изобретению. При этом электроны е^- эмитируются из катода 30, а рентгеновские лучи γ излучаются из анода 20 через окно 201. Рентгеновская трубка 10 содержит несколько дополняющих друг друга ускоряющих модулей 41, …, 45, и каждый ускоряющий модуль 41, …, 45 содержит по меньшей мере один потенциалонесущий электрод 20/30/423/433/443.5 is a structural diagram that schematically shows the architecture of one embodiment of an x-ray tube 10 according to the invention. In this case, the electrons e ^- are emitted from the cathode 30, and the x-rays γ are emitted from the anode 20 through the window 201. The x-ray tube 10 contains several accelerating modules 41, ..., 45 complementing each other, and each accelerating module 41, ..., 45 contains at least at least one potential-carrying electrode 20/30/423/433/443.

На фиг.6 показана структурная схема, которая схематично показывает архитектуру дополнительного варианта реализации рентгеновской трубки 10 согласно изобретению. Рентгеновская трубка 10 содержит, как и на фиг.3, несколько дополняющих друг друга ускоряющих модулей 41, …, 45 с потенциалонесущими электродами 20/30/423/433/443. Ускоряющие модули содержат дополнительно электронные экраны 422/432/442 для подавления потока рассеянных электронов к изоляционному керамическому элементу.FIG. 6 shows a block diagram that schematically shows the architecture of a further embodiment of an x-ray tube 10 according to the invention. X-ray tube 10 contains, as in figure 3, several complementary accelerating modules 41, ..., 45 with potential-bearing electrodes 20/30/423/433/443. The acceleration modules further comprise electronic screens 422/432/442 for suppressing the flow of scattered electrons to the insulating ceramic element.

На фиг.7 также показана структурная схема, которая схематично показывает архитектуру другого варианта реализации рентгеновской трубки 10 согласно изобретению. Рентгеновская трубка 10 содержит, как и на фиг.3, несколько дополняющих друг друга ускоряющих модулей 41, …, 45 с потенциалонесущими электродами 20/30/423/433/443. По меньшей мере один из ускоряющих модулей 41, …, 45 дополнительно содержит повторно закрывающийся вакуумный клапан 531.7 also shows a block diagram that schematically shows the architecture of another embodiment of an x-ray tube 10 according to the invention. X-ray tube 10 contains, as in figure 3, several complementary accelerating modules 41, ..., 45 with potential-bearing electrodes 20/30/423/433/443. At least one of the acceleration modules 41, ..., 45 further comprises a resealable vacuum valve 531.

На фиг.8 показано поперечное сечение рентгеновской трубки 10 согласно изобретению, которое схематично показывает архитектуру варианта реализации согласно фиг.3.FIG. 8 shows a cross-section of an x-ray tube 10 according to the invention, which schematically shows the architecture of the embodiment according to FIG. 3.

На фиг.9 показано еще одно поперечное сечение рентгеновской трубки 10 согласно изобретению. Ускоряющие модули 41, …, 45 дополнительно содержат один возможный вариант реализации экранов 423…443 для подавления потока рассеянных электронов к изоляционному керамическому элементу. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что экраны образуют дополнительную защиту для изоляционных керамических элементов. Вместе с тем, дополнительно могут быть увеличены срок службы рентгеновских трубок и/или разности потенциалов между отдельными ускоряющими электродами. Возможный вариант реализации по фиг.9 показывает сферически или конически выполненные концы электродов 423/433/443 и/или экраны 412, …, 415 для снижения или минимизации превышения поля на соответствующем электроде 423/433/443 и/или экране 412, …, 415. Электроды 423/433/443 являются присоединяемыми посредством выводов подключения потенциалов, например, к каскаду высокого напряжения.Figure 9 shows another cross section of the x-ray tube 10 according to the invention. Accelerating modules 41, ..., 45 additionally contain one possible implementation of screens 423 ... 443 for suppressing the flow of scattered electrons to an insulating ceramic element. This embodiment has, among other things, the advantage that the screens provide additional protection for the insulating ceramic elements. At the same time, the service life of the X-ray tubes and / or the potential difference between the individual accelerating electrodes can be further increased. The possible embodiment of FIG. 9 shows the spherically or conically shaped ends of the electrodes 423/433/443 and / or screens 412, ..., 415 to reduce or minimize the excess of the field on the corresponding electrode 423/433/443 and / or screen 412, ..., 415. The electrodes 423/433/443 are connectable by means of potential connection leads, for example, to a high voltage cascade.

На фиг.10 изображена принципиальная конструкция ускоряющей ступени модульной металлокерамической трубки с модульной двухступенчатой ускоряющей ступенью с двумя ускоряющими модулями 42/43 с изоляционным керамическим элементом, ускоряющими электродами 423/433 и выводами 421/431 подключения потенциалов.Figure 10 shows the basic design of the accelerating stage of a modular ceramic-metal tube with a modular two-stage accelerating stage with two accelerating modules 42/43 with an insulating ceramic element, accelerating electrodes 423/433 and potential connection leads 421/431.

На фиг.11 схематично показано распределение потенциала в модульной рентгеновской трубке 10 согласно изобретению в случае варианта реализации с трубкой на 800 кВ.11 schematically shows the potential distribution in a modular x-ray tube 10 according to the invention in the case of an embodiment with a 800 kV tube.

На фиг.12 схематично показана система 60 облучения с рентгеновской трубкой 10 согласно изобретению. Система 60 облучения содержит каскад 62 высокого напряжения для обеспечения питания рентгеновской трубки 10, трансформатор 63 высокого напряжения, а также выходное окно 61 для рентгеновского излучения γ из защитного корпуса 65.12 schematically shows an irradiation system 60 with an x-ray tube 10 according to the invention. The irradiation system 60 comprises a high voltage stage 62 for supplying the X-ray tube 10, a high-voltage transformer 63, and an output window 61 for x-ray radiation γ from the protective housing 65.

На фиг.13 показан дополнительный вариант реализации трех ускоряющих модулей 42/43/44 с изоляционным керамическим элементом, электронным экраном 422/432/442 и ускоряющими электродами 423/433/443.On Fig shows an additional implementation of three accelerating modules 42/43/44 with an insulating ceramic element, an electronic screen 422/432/442 and accelerating electrodes 423/433/443.

Фиг.4-10 иллюстрируют архитектуры, такие как те, которые могут быть применены для реализации изобретения. В этих вариантах реализации для модульной рентгеновской трубки 10 анод 20 и катод 30 располагают в вакуумированной полости 40 противоположными друг другу. Электроны е^- генерируются на катоде 30, причем катод 30 служит в качестве эмиттера электронов. Катод служит, таким образом, с одной стороны, для выработки электрического поля Е, а с другой стороны, однако, также для генерирования электронов. Поэтому для этого применения принципиально подходят все материалы, которые могут эмитировать электроны е^-. Этот процесс может быть достигнут посредством термоэлектронной эмиссии, но также и посредством автоэлектронной эмиссии (холодный эмиттер). В качестве холодного эмиттера может применяться, например, любой тип матрицы с микронаконечниками с чаще всего алмазоподобными структурами или, например, также нанотрубки. Разумеется, холодная эмиссия может применяться при таком типе трубки также посредством использования эффекта Пеннинга в соответствующим образом выполненных металлах. Например, можно использовать термоэлектронные эмиттеры, которые также применимы с излучателем согласно этой концепции, такие как, например, вольфрам (W), гексаборид лантана (LaB₆), распределительные («импрегнированные») катоды (La в W) и/или оксидные катоды (например, ZrO). Электроны е^- посредством прикладываемого высокого напряжения на аноде 20 ускоряются и генерируют рентгеновские лучи γ на поверхности мишени анода 20. Аноды 20 выполняют в рентгеновской трубке 10 две функции. С одной стороны, они служат в качестве положительного электрода 20 для генерирования электрического поля Е для ускорения электронов е^-. С другой стороны, аноды 20 или встроенный в аноды материал мишени служат в качестве того места, где энергия электронов преобразуется в рентгеновское излучение γ. Это преобразование зависит, с одной стороны, от энергии частиц, но также от атомного номера материала мишени. В первом приближении согласно формуле Бете потеря энергии частиц происходит в зависимости от квадрата атомного номера Z материала мишени:4-10 illustrate architectures, such as those that can be applied to implement the invention. In these embodiments for the modular X-ray tube 10, the anode 20 and the cathode 30 are opposed to each other in the evacuated cavity 40. Electrons e ^are generated at the cathode 30, with the cathode 30 serving as an electron emitter. The cathode thus serves, on the one hand, to generate an electric field E, and on the other hand, however, also to generate electrons. Therefore, all materials that can emit e ^- electrons are fundamentally suitable for this application. This process can be achieved through thermionic emission, but also through field emission (cold emitter). As a cold emitter, for example, any type of matrix with micro tips with most often diamond-like structures or, for example, also nanotubes, can be used. Of course, cold emission can also be applied with this type of tube by using the Penning effect in suitably made metals. For example, thermionic emitters that are also applicable to the emitter according to this concept can be used, such as, for example, tungsten (W), lanthanum hexaboride (LaB ₆ ), distribution (“impregnated”) cathodes (La to W) and / or oxide cathodes (e.g. ZrO). Electrons e ^- by applying a high voltage to the anode 20 are accelerated and generate x-rays γ on the target surface of the anode 20. The anodes 20 perform two functions in the x-ray tube 10. On the one hand, they serve as a positive electrode 20 for generating an electric field E for electron acceleration e ^- . On the other hand, the anodes 20 or the target material embedded in the anodes serve as the place where the electron energy is converted to x-ray radiation γ. This transformation depends, on the one hand, on the energy of the particles, but also on the atomic number of the target material. In a first approximation, according to the Bethe formula, the loss of particle energy occurs depending on the square of the atomic number Z of the target material:

.

В этом процессе анод 20 термически нагружен. Следовательно, анод или материал мишени должен быть в состоянии выдержать эту термическую нагрузку. Из этого следует, что давление пара материала мишени при рабочей температуре мишени должно бы быть достаточно маленьким для того, чтобы не оказывать негативного влияния на необходимый для работы рентгеновской трубки 10 вакуум. Поэтому предпочтительно могут, например, использоваться материалы мишени, которые являются устойчивыми к высокой температуре или могут хорошо охлаждаться. К тому же материал мишени, например, может быть вставлен в хорошо проводящий тепло материал (например, медь), который может быть хорошо охлажден, т.е. хорошо проводить тепло. Например, поэтому по возможности в качестве анода (мишени) 20 могут применяться тяжелые и температуроустойчивые материалы. В особенности подходят для этого, например, такие материалы, как вольфрам (W, Z=74) и/или уран (U, Z=92), и/или родий (Rh, Z=45), и/или серебро (Ag, Z=47), и/или молибден (Мо, Z=42), и/или палладий (Pd, Z=46), и/или железо (Fe, Z=26), и/или медь (Cu, Z=29). При выборе материала мишени особенно предпочтительным может оказаться, например, в аналитических областях применения, принять во внимание то, чтобы характеристические линии (К_α) подходили для специфического назначения применения трубки.In this process, the anode 20 is thermally loaded. Therefore, the anode or target material must be able to withstand this thermal load. From this it follows that the vapor pressure of the target material at the target operating temperature should be small enough so as not to adversely affect the vacuum required for the operation of the X-ray tube 10. Therefore, it is preferable, for example, to use target materials that are resistant to high temperature or can be well cooled. In addition, the target material, for example, can be inserted into a heat-conducting material (e.g. copper), which can be well cooled, i.e. conduct heat well. For example, therefore, if possible, heavy and temperature-resistant materials can be used as the anode (target) 20. Especially suitable for this, for example, materials such as tungsten (W, Z = 74) and / or uranium (U, Z = 92), and / or rhodium (Rh, Z = 45), and / or silver (Ag , Z = 47), and / or molybdenum (Mo, Z = 42), and / or palladium (Pd, Z = 46), and / or iron (Fe, Z = 26), and / or copper (Cu, Z = 29). When choosing the target material, it may be particularly preferable, for example, in analytical applications, to take into account that the characteristic lines (K _α ) are suitable for the specific application of the tube.

Рентгеновская трубка 10 дополнительно содержит несколько дополняющих друг друга ускоряющих модулей 41, …, 45. Каждый ускоряющий модуль содержит по меньшей мере один потенциалонесущий электрод 20/30/423/433/443 с соответствующими выводами 421/431/441 подключения потенциалов. Первый ускоряющий модуль 41 содержит катод 30 с генерированием электронов е^-, т.е. с эмиттером электронов. Второй ускоряющий модуль 45 содержит анод 20 с рентгеновским излучением γ. Рентгеновская трубка содержит по меньшей мере один дополнительный ускоряющий модуль 42, …, 44 с потенциалонесущим электродом 423/433/443. Вакуумированная полость 40 может быть снаружи ограничена, например, посредством изоляционного керамического элемента 51. Для концепции излучателя согласно изобретению могут быть применены, например, изоляционные материалы, которые удовлетворяют электрическим требованиям рентгеновской трубки 10 (напряженность поля). Для соответствующего варианта реализации изоляционные материалы должны также быть подходящими для изготовления металлокерамического соединения. Кроме того, керамический материал должен быть применимым для высоковакуумных областей использования. Подходящими материалами, таким образом, являются, например, чистые оксидные керамические материалы, такие как оксиды алюминия, магния, бериллия и циркония. Также принципиально подходит монокристаллический Al₂O₃ (сапфир). Дополнительно также рассматриваются так называемые стеклокерамические материалы, такие как, например, макор (Macor), или подобные материалы. Естественно, особенно подходят также смешанные керамические материалы (например, легированный Al₂O₃), при условии, что они имеют соответствующие свойства. Изоляционные керамические элементы 51 могут, например, снаружи быть выполнены ребристыми или имеющими подобные формы, с тем, чтобы удлинить изоляционный участок изоляционной оболочки 51, который находится не со стороны вакуума, а находится, например, в изоляционном масле. Аналогичным образом, однако, может быть предусмотрен также любой другой вариант реализации, например чистая цилиндрическая форма, изоляционного керамического элемента, не затрагивая вместе с тем суть изобретения. Изоляционный керамический элемент 51 может дополнительно иметь, например, также высокоомное внутреннее покрытие для того, чтобы отводить возможные заряды, которые могли быть вызваны различными электронными процессами, причем одновременно обеспечивается то, что может быть приложено ускоряющее напряжение. На фиг.8 показана принципиальная конструкция модульной металлокерамической трубки с двумя дополнительными ускоряющими модулями 42/43 с изоляционным керамическим элементом 51, ускоряющими электродами 423/433 и выводами 421/432 подключения потенциалов. Описанный здесь принцип конструкции рентгеновской трубки 10, которая, например, состоит из металлокерамического комбинированного (композиционного) материала, может быть выполнен согласно изобретению сколь угодно часто повторяющимся образом подключенным последовательно и так использоваться для ускорения электронов е^- (многоступенчатое ускорение). Последний потенциалонесущий электрод ускоряющей конструкции является необходимым для генерирования анодом 20. Напротив расположен необходимый для выработки электронов катод 20, который представляет собой первый электрод этой ускоряющей конструкции. Это представлено в вариантах реализации на фиг.4-9. При соответствующем расположении и выборе электродов рентгеновские трубки 10 могут быть выполнены с общей энергией до 800 кВ или более (например, фиг.5). Для сравнения, традиционные рентгеновские трубки до сегодняшнего дня могли быть изготовлены максимально с общей энергией от 200 до 450 кВ. Значительным преимуществом этой концепции является то, что достигаются очень большие энергии при, одновременно, маленьких конструктивных формах. Дополнительным преимуществом по сравнению с существующими концепциями является почти однородная нагрузка на сегменты изоляционного керамического элемента 51 за счет электрического поля. Это имеет, в том числе, то преимущество, что посредством сегментации рентгеновская трубка 10 может быть выполнена так, что нагрузка по полю изоляционных керамических элементов 51 остается ниже необходимого для пробоев высоким напряжением предельного значения. На фиг.9 схематично показано распределение потенциала в модульной рентгеновской трубке 10 согласно изобретению в случае варианта реализации с трубкой на 800 кВ. В предложенных в предшествующем уровне техники трубках, напротив, имеют место слишком сильные радиальные нагрузки на изоляционные керамические элементы, так как трубки выполнены по существу подобно цилиндрическому конденсатору. Эти радиальные поля приводят к очень высоким напряженностям поля на месте стыка между внутренним радиусом изолятора и расположенными по оси ускоряющими электродами (анодом, катодом). Посредством этого огромное превышение поля на так называемой тройной точке (изолятор - электрод - вакуум) приводит к автоэлектронной эмиссии электронов, которые вызывают пробои высоким напряжением и могут привести к разрушению трубки, как дополнительно выше уже было описано. На фиг.1 схематично показана архитектура такой традиционной рентгеновской трубки 10 согласно уровню техники. При этом электроны е^- эмитируются из электронного эмиттера, т.е. катода 20, как правило - горячей вольфрамовой спирали, посредством прикладываемого высокого напряжения ускоряются к мишени, при этом из данной мишени, т.е. анода 30, через окно 301 излучаются рентгеновские лучи γ. Тройная точка (превышения поля, которые ведут к автоэлектронной эмиссии электронов е^-) возникает при этом как со стороны катода, так и со стороны анода.X-ray tube 10 additionally contains several complementary accelerating modules 41, ..., 45. Each accelerating module contains at least one potential-carrying electrode 20/30/423/433/443 with the corresponding terminals 421/431/441 connecting potentials. The first acceleration module 41 comprises a cathode 30 with electron generation e ^- , i.e. with an electron emitter. The second accelerating module 45 comprises an anode 20 with x-ray radiation γ. The x-ray tube contains at least one additional accelerating module 42, ..., 44 with a potential-carrying electrode 423/433/443. The evacuated cavity 40 can be externally limited, for example, by means of an insulating ceramic element 51. For the concept of the emitter according to the invention, for example, insulating materials that satisfy the electrical requirements of the X-ray tube 10 (field strength) can be applied. For the respective embodiment, the insulating materials should also be suitable for the manufacture of the ceramic-metal compound. In addition, the ceramic material must be applicable for high vacuum applications. Suitable materials are thus, for example, pure oxide ceramic materials such as oxides of aluminum, magnesium, beryllium and zirconium. Single crystal Al ₂ O ₃ (sapphire) is also fundamentally suitable. Additionally, so-called glass-ceramic materials, such as, for example, Macor, or similar materials, are also considered. Naturally, mixed ceramic materials (e.g. alloyed Al ₂ O ₃ ) are also particularly suitable, provided that they have the appropriate properties. The ceramic insulating elements 51 can, for example, be ribbed or similar in shape on the outside in order to lengthen the insulating portion of the insulating shell 51, which is not on the vacuum side, but is, for example, in insulating oil. In a similar manner, however, any other embodiment, for example a clean cylindrical shape, of an insulating ceramic element may also be provided without affecting the essence of the invention. The ceramic insulating element 51 may additionally have, for example, also a high-resistance inner coating in order to remove possible charges that could be caused by various electronic processes, while at the same time ensuring that an accelerating voltage can be applied. On Fig shows the basic construction of a modular cermet tube with two additional accelerating modules 42/43 with an insulating ceramic element 51, accelerating electrodes 423/433 and leads 421/432 connecting potentials. The design principle of the X-ray tube 10 described here, which, for example, consists of a ceramic-metal composite (composite) material, can be made according to the invention as often as desired and connected in series and so used to accelerate electrons e ^- (multistage acceleration). The last potential-bearing electrode of the accelerating structure is necessary for generation by the anode 20. On the contrary, the cathode 20, which is the first electrode of this accelerating structure, which is necessary for generating electrons, is located. This is presented in the embodiments of FIGS. 4-9. With an appropriate arrangement and selection of electrodes, the x-ray tubes 10 can be made with a total energy of up to 800 kV or more (for example, FIG. 5). For comparison, traditional X-ray tubes to this day could be manufactured with a maximum total energy of 200 to 450 kV. A significant advantage of this concept is that very high energies are achieved with, at the same time, small structural forms. An additional advantage over existing concepts is the almost uniform load on the segments of the insulating ceramic element 51 due to the electric field. This has the advantage, among other things, that by means of segmentation, the x-ray tube 10 can be made so that the load on the field of the ceramic insulating elements 51 remains below the limit value required for breakdowns by high voltage. Figure 9 schematically shows the potential distribution in a modular x-ray tube 10 according to the invention in the case of an embodiment with a 800 kV tube. In the tubes proposed in the prior art, on the contrary, there are too strong radial loads on the insulating ceramic elements, since the tubes are made essentially like a cylindrical capacitor. These radial fields lead to very high field strengths at the junction between the inner radius of the insulator and the accelerating electrodes (anode, cathode) located along the axis. Due to this, a huge excess of the field at the so-called triple point (insulator - electrode - vacuum) leads to field emission of electrons, which cause breakdowns by high voltage and can lead to destruction of the tube, as was already described above. Figure 1 schematically shows the architecture of such a traditional x-ray tube 10 according to the prior art. In this case, the e ^- electrons ^are emitted from the electronic emitter, i.e. the cathode 20, as a rule of a hot tungsten helix, is accelerated to a target by applying a high voltage, and from this target, i.e. of the anode 30, x-rays γ are emitted through the window 301. The triple point (excess of the field, which leads to field emission of electrons e ^- ) arises in this case both from the side of the cathode and from the side of the anode.

Разность потенциалов между соответствующими двумя потенциалонесущими электродами 20/30/423/433/443 соседних ускоряющих модулей 41, …, 45, например, может быть также выбрана для всех ускоряющих модулей 41, …, 45 постоянной, причем энергия ускоренных электронов е^- является целочисленно кратной энергии одного ускоряющего модуля 41, …, 45. По меньшей мере один из этих ускоряющих модулей 41, …, 45 может дополнительно иметь повторно закрывающийся вакуумный клапан 531. Это имеет то преимущество, что посредством вакуумного клапана 531 отдельные детали рентгеновской трубки 10 могут быть заменены, без необходимости заменять одновременно всю трубку, как в случае традиционных рентгеновских трубок. Поскольку трубка 10 согласно изобретению выполнена модульной, то за счет этого можно впоследствии также без проблем приспосабливать трубку 10 к измененным условиям эксплуатации с помощью того, что вводятся дополнительные ускоряющие модули или удаляются существующие модули. Это невозможно в случае трубок согласно предшествующему уровню техники.The potential difference between the corresponding two potential-bearing electrodes 20/30/423/433/443 of the neighboring accelerating modules 41, ..., 45, for example, can also be chosen for all accelerating modules 41, ..., 45, and the energy of the accelerated electrons e ^- is integer multiple energies of one acceleration module 41, ..., 45. At least one of these acceleration modules 41, ..., 45 may additionally have a resealable vacuum valve 531. This has the advantage that the individual parts are x-ray by means of the vacuum valve 531. second tube 10 can be replaced without having to replace the whole tube at the same time as in the case of conventional X-ray tubes. Since the tube 10 according to the invention is modular, it can subsequently also be adapted without problems to adapt the tube 10 to the changed operating conditions by adding additional accelerating modules or removing existing modules. This is not possible with tubes according to the prior art.

Важно указать на то, что в случае рентгеновской трубки 10 согласно изобретению принципиальное модульное построение, т.е. повышение энергии излучения рентгеновской трубки 10, может быть достигнуто посредством добавления одного или нескольких ускоряющих сегментов 41, …, 45 или ускоряющих модулей 41, …, 45. При этом по меньшей мере один из этих ускоряющих модулей 41, …, 45 может быть выполнен так, что он имеет повторно закрывающийся вакуумный клапан 531. Ускоряющие модули 41, …, 45 могут дополнительно содержать вакуумные уплотнения с одной стороны или с двух сторон. Это имеет то преимущество, что отдельные дефектные ускоряющие модули 41, …, 45 могут быть простым образом заменены и/или повторно использованы с помощью того, что дефектная трубка 10 посредством повторно закрывающегося вакуумного клапана 531 девакуумируется, дефектный ускоряющий модуль 41, …, 45 заменяется новым и/или функционирующим, и трубка 10 снова вакуумируется с помощью соответствующего вакуумного насоса через повторно закрывающийся вакуумный клапан 531. Также важно отметить то, что электроды 20/30/423/433/443 ускоряющего модуля 41, …, 45 могут содержать экран 412,...,415 для подавления потока рассеянных электронов к изоляционному керамическому элементу 51 (фиг.6/13). Это имеет то преимущество, что экраны образуют дополнительную защиту для изоляционных керамических элементов 51. Вместе с тем могут быть дополнительно увеличены срок службы рентгеновской трубки и/или разности потенциалов между отдельными ускоряющими электродами 20/30/423/433/443. Простая и модульная конструкция рентгеновской трубки согласно изобретению является особенно подходящей для способа изготовления одноэтапным методом, или эта конструкция делает только лишь одноэтапный способ эффективным. При этом происходит пайка всей трубки 10 в одностадийном процессе вакуумной пайки. Это имеет, в том числе, то преимущество, что заключительное вакуумирование рентгеновской трубки 10 посредством высоковакуумного насоса может быть исключено. Дополнительным преимуществом одноэтапного способа, т.е. одностадийного способа изготовления посредством общей пайки трубки в вакууме (одноэтапный метод), является в том числе то, что имеется единственный процесс изготовления, а не три, как в традиционном: 1. Узловая пайка. 2. Узловая сборка (например, пайка или сварка). 3. Откачивание трубки посредством вакуумного насоса. Одностадийный способ изготовления является поэтому экономически более эффективным, более времясберегающим и более дешевым. Одновременно при этом способе в случае соответствующего технологического процесса удается минимизировать загрязнение трубки. Тем не менее, может быть предпочтительным, когда трубка уже в значительной степени свободна от загрязнений, что, как правило, минимизирует диэлектрическую прочность изоляционных керамических элементов. Требования к вакуумной герметичности для трубок 10 являются при одноэтапном способе в большинстве случаев такими же самыми, как при многоступенчатом способе изготовления. Так как поля внутри трубки 10 много меньше, чем в случае традиционных трубок, трубка 10 согласно изобретению является дополнительно менее предрасположенной к загрязнениям и/или возникновению негерметичных мест. Это делает рентгеновскую трубку 10 согласно изобретению еще более подходящей для одноэтапного способа. Рентгеновская трубка 10 согласно изобретению может, например, также замечательно использоваться для изготовления целых систем облучения и/или отдельных устройств 60 облучения (см. фиг.12). В таком устройстве 60 облучения трубка 10 может быть установлена в корпусе 65, например, в изоляционном масле. Защитный корпус 65 может содержать окно 61 для выхода рентгеновского излучения γ. Устройство 60 облучения содержит для трубки 10 соответствующий каскад 62 высокого напряжения, например, с присоединенным к нему трансформатором 63 высокого напряжения и соединительными клеммами 64 высокого напряжения снаружи. Такие устройства 60 облучения или моноблоки 60 могут в таком случае применяться, например, для изготовления еще больших систем облучения. Естественно, для специалистов в данной области очевидно, что трубка 10 согласно изобретению без мишени или передающего анода ввиду ее простой, модульной конструкции и ее высоких мощностей также замечательно подходит для использования в качестве электронного излучателя и/или электронной пушки в соответствующих промышленных областях применения.It is important to point out that in the case of the X-ray tube 10 according to the invention, the principle modular construction, i.e. increasing the radiation energy of the x-ray tube 10 can be achieved by adding one or more accelerating segments 41, ..., 45 or accelerating modules 41, ..., 45. In this case, at least one of these accelerating modules 41, ..., 45 can be performed as follows that it has a resealable vacuum valve 531. The acceleration modules 41, ..., 45 may further comprise vacuum seals on one side or on both sides. This has the advantage that the individual defective acceleration modules 41, ..., 45 can be easily replaced and / or reused by the fact that the defective tube 10 is evacuated by means of the resealable vacuum valve 531, the defective acceleration module 41, ..., 45 is replaced new and / or functioning, and the tube 10 is again evacuated using a suitable vacuum pump through a resealable vacuum valve 531. It is also important to note that the electrodes 20/30/423/433/443 of the acceleration module 41, ..., 45 can harvesting screen 412, ..., 415 for suppressing the scattered electrons flow to the insulating ceramic element 51 (6/13). This has the advantage that the screens provide additional protection for the ceramic insulating elements 51. However, the service life of the X-ray tube and / or potential difference between the individual accelerating electrodes 20/30/423/433/443 can be further increased. The simple and modular design of the x-ray tube according to the invention is particularly suitable for the manufacturing method by a one-step method, or this design makes only a one-step method effective. When this occurs, the soldering of the entire tube 10 in a single-stage process of vacuum brazing. This has the advantage, among other things, that the final evacuation of the X-ray tube 10 by means of a high vacuum pump can be eliminated. An additional advantage of the one-step method, i.e. a one-stage method of manufacturing by means of general soldering of a tube in a vacuum (one-stage method), including the fact that there is a single manufacturing process, and not three, as in the traditional one: 1. Nodal soldering. 2. Nodal assembly (eg soldering or welding). 3. Pumping out the tube using a vacuum pump. The one-stage manufacturing method is therefore more cost-effective, more time-saving and cheaper. At the same time, with this method, in the case of an appropriate technological process, it is possible to minimize tube contamination. However, it may be preferable when the tube is already substantially free from contamination, which typically minimizes the dielectric strength of the insulating ceramic elements. The vacuum tightness requirements for the tubes 10 are, in the majority of cases, the same in the single-stage process as in the multi-stage manufacturing process. Since the fields inside the tube 10 are much smaller than in the case of traditional tubes, the tube 10 according to the invention is further less prone to contamination and / or leakage. This makes the x-ray tube 10 according to the invention even more suitable for the one-step process. The x-ray tube 10 according to the invention can, for example, also be remarkably used for the manufacture of whole irradiation systems and / or individual irradiation devices 60 (see FIG. 12). In such an irradiation device 60, the tube 10 can be installed in the housing 65, for example, in insulating oil. The protective housing 65 may include a window 61 for the output of x-ray radiation γ. The irradiation device 60 comprises, for the tube 10, a corresponding high voltage stage 62, for example, with a high voltage transformer 63 connected to it and high voltage connection terminals 64 externally. Such irradiation devices 60 or monoblocks 60 can then be used, for example, for the manufacture of even larger irradiation systems. Naturally, it will be apparent to those skilled in the art that the tube 10 according to the invention without a target or transmitting anode, due to its simple, modular construction and its high powers, is also remarkably suitable for use as an electron emitter and / or electron gun in respective industrial applications.

В случае одного варианта реализации согласно изобретению может оказаться рациональным, чтобы экраны 422/432/442 были выполнены так, что пучок электронов не «видит» плоскость 51 изолятора (фиг.13). Посредством приложения ускоряющего напряжения это можно привести к эффектам зарядки керамических изоляторов 51, которые, безусловно, не должны быть вызваны посредством рассеянной и вторичной электронной эмиссии. Посредством геометрии, изображенной на фиг.13, или подобной ей геометрии такие эффекты зарядки могут быть предотвращены или минимизированы. Покрытие на изоляционном керамическом элементе может также быть использовано, в частности, для подачи потенциала, если снаружи на изоляторы нанесен, например, подходящий проводящий слой, так что этот слой действует как делитель напряжения. Относительно вакуумированной внутренней полости подходящее покрытие могло бы также заменить металлические электроды 423/433/443. Это повлекло бы за собой то, что не было бы больше экрана, такого как на фиг.13. В качестве варианта реализации было бы возможно, например, нанести спиральный слой на внутреннюю (вакуумную) сторону изоляционного керамического элемента 51, который действует как делитель напряжения и в результате заменяет металлические электроды 423/433/443.In the case of one embodiment according to the invention, it may be rational for the screens 422/432/442 to be configured such that the electron beam does not “see” the insulator plane 51 (FIG. 13). By applying accelerating voltage, this can lead to charging effects of ceramic insulators 51, which, of course, should not be caused by scattered and secondary electron emission. By the geometry depicted in FIG. 13 or a similar geometry, such charging effects can be prevented or minimized. The coating on the insulating ceramic element can also be used, in particular, for supplying potential if, for example, a suitable conductive layer is applied externally to the insulators, so that this layer acts as a voltage divider. With respect to the evacuated inner cavity, a suitable coating could also replace metal electrodes 423/433/443. This would entail that there would be no more screen, such as in FIG. 13. As an embodiment, it would be possible, for example, to apply a spiral layer to the inner (vacuum) side of the ceramic insulating element 51, which acts as a voltage divider and as a result replaces the metal electrodes 423/433/443.

Claims

1. X-ray tube (10), in which the anode (20) and the cathode (30) are located opposite to each other in the evacuated cavity (40), moreover, electrons (e ^- ) are generated on the cathode (30), by means of the applied high voltage they are accelerated to anode (20) and through these electrons (e ^- ) anode (20) generates x-ray radiation (γ), moreover, the x-ray tube (10) contains several accelerating modules that complement each other (41, ..., 45), each accelerating module (41 , ..., 45) contains at least one potential-carrying electrode (20/30/423/433/443), p the first accelerating module (41) contains the cathode (30) with electron extraction (e ^- ), and the second accelerating module (45) contains the anode (20) with the generation of x-ray radiation (γ), while the x-ray tube (10) contains at least one additional accelerating module (42, ..., 44) with a potential-carrying electrode (423/433/443), and the accelerating module (42, ..., 44) for electron acceleration is connected as often as necessary in series, and the x-ray tube ( 10) made modular.

2. An X-ray tube (10) according to claim 1, in which the potential difference between the corresponding two potential-bearing electrodes (20/30/423/433/443) of adjacent accelerating modules (41, ..., 45) for all accelerating modules (41, ... , 45) is constant, and the final energy of accelerated electrons (e ^- ) is an integer multiple of the energy of the accelerating module (41, ..., 45).

3. An x-ray tube (10) according to claim 1, in which at least one of the accelerating modules (41, ..., 45) has a resealable vacuum valve (531) and / or has vacuum seals on one side or both sides.

4. The x-ray tube (10) according to claim 2, in which at least one of the accelerating modules (41, ..., 45) has a resealable vacuum valve (531) and / or has vacuum seals on one side or both sides.

5. An x-ray tube (10) according to any one of claims 1 to 4, in which the accelerating modules (41, ..., 45) contain a cylindrical insulating ceramic element (53).

6. X-ray tube (10) according to claim 5, in which the insulating ceramic element (53) has a high-resistance inner coating.

7. X-ray tube (10) according to claim 5, in which the insulating ceramic element (53) has a ribbed external structure.

8. X-ray tube (10) according to claim 6, in which the insulating ceramic element (53) has a ribbed external structure.

9. X-ray tube (10) according to any one of claims 1 to 4 and 6-8, in which the anode (20) contains a target for generating x-ray radiation, as well as a window (201) for the output of x-ray radiation.

10. An x-ray tube (10) according to claim 5, in which the anode (20) contains a target for generating x-ray radiation, as well as a window (201) for outputting x-ray radiation.

11. X-ray tube (10) according to any one of claims 1 to 4, 6-8 and 10, in which the anode (20) contains a transmitting anode, and this transmitting anode externally closes the evacuated cavity (40).

12. X-ray tube (10) according to claim 5, in which the anode (20) contains a transmitting anode, and this transmitting anode externally closes the evacuated cavity (40).

13. The x-ray tube (10) according to claim 9, in which the anode (20) contains a transmitting anode, and this transmitting anode externally closes the evacuated cavity (40).

14. X-ray tube (10) according to any one of claims 1 to 4, 6-8, 10, 12 and 13, in which the electrodes (20/30/423/433/443) of the accelerating modules (41, ..., 45) contain a screen (412, ..., 415) for suppressing the flow of scattered electrons to an insulating ceramic element (51).

15. An x-ray tube (10) according to claim 5, in which the electrodes (20/30/423/433/443) of the accelerating modules (41, ..., 45) contain a screen (412, ..., 415) to suppress the flux of scattered electrons to insulating ceramic element (51).

16. An x-ray tube (10) according to claim 9, in which the electrodes (20/30/423/433/443) of the accelerating modules (41, ..., 45) contain a screen (412, ..., 415) to suppress the flux of scattered electrons to insulating ceramic element (51).

17. The x-ray tube (10) according to claim 11, in which the electrodes (20/30/423/433/443) of the accelerating modules (41, ..., 45) contain a screen (412, ..., 415) to suppress the flow of scattered electrons to insulating ceramic element (51).

18. X-ray tube (10) according to 14, in which at least one of the electrodes (423/433/443) and / or screens (412, ..., 415) has spherically or conically made ends to reduce or minimize excess field on the corresponding electrode (423/433/443) and / or screen (412, ..., 415).

19. An x-ray tube (10) according to any one of claims 15-17, wherein at least one of the electrodes (423/433/443) and / or screens (412, ..., 415) has spherically or conically shaped ends to reduce or minimization of excess field on the corresponding electrode (423/433/443) and / or screen (412, ..., 415).

20. The irradiation system (60), and this irradiation system (60) contains at least one x-ray tube (10) according to any one of claims 1 to 19 with a high voltage cascade (62) to provide power to the x-ray tube (10).

21. A method of manufacturing an x-ray tube (10) according to any one of claims 1 to 19, characterized in that the x-ray tube (10) is made in a single-stage vacuum brazing process.