ИМПУЛЬСНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1995 года по МПК H05G1/22 H01J35/22 

Изобретение относится к рентгеновской технике и может быть использовано в диагностических системах с высоким пространственным и временным разрешением в медицине.

Известна микрофокусная рентгеновская трубка, позволяющая получать импульсный поток рентгеновского излучения большой плотности. Трубка содержит катод, включающий накальный элемент, эмиттирующий электроны и ускоряющий электрод, подключенный к высоковольтному источнику импульсного напряжения. Анод выполнен в виде металлической фольги. Импульсный электронный пучок поступает на фольгу анода и прожигает ее, испуская при этом поток рентгеновского излучения. Фольга анода закреплена в держателе таким образом, что обеспечивается ее шаговое перемещение, соответствующее частоте импульсов напряжения источника.

Известен импульсный рентгеновский генератор, в котором используется мегавольтный импульсный генератор напряжения с параметрами: напряжение на диоде V=12 МВ, максимальный ток I=200 кА и длительность импульса τ70 нс. При этом в спектре рентгеновского излучения содержатся преимущественно кванты высоких энергий, а для повышения эффективности использования высокоэнергетичного (12 МВ) электронного пучка используется конвертор значительной толщины, дополнительно срезающий мягкую часть спектра рентгеновских квантов.

Наиболее близкой к изобретению является рентгеновская трубка, в которой катод выполнен в виде цилиндра, обращенного торцом к аноду, выполненному в виде диска из вольфрамовой фольги, установленному перпендикулярно и симметрично оси катода. Трубка имеет относительно малое межэлектродное расстояние ( ≈ 5 мм), а прилагаемое напряжение в импульсе составляет до 150 кВ.

Однако данная рентгеновская трубка не может обеспечит достижения цели предлагаемого изобретения, так как она рассчитана на напряжение на три порядка меньшее, чем используемое в диоде предлагаемого генератора. Кроме того, применение в прототипе анода из вольфрамовой фольги ограничивает возможность получения γ-квантов с энергией 33 кэВ.

Целью изобретения является повышение интенсивности генерируемого излучения, улучшение временного и пространственного разрешения при рентгенографировании. Использование изобретения в медицине обеспечит проведение широких диагностических исследований с меньшим риском для пациентов при значительном снижении затрат.

Для этого в импульсном рентгеновском генераторе использован импульсный генератор мегавольтного напряжения в интервале 0,3-3 МВ с длительностью импульса 5˙10^-8-10^-7 с, а длина ускоряющего промежутка и геометрия катода рентгеновского вакуумного диода выбраны из условия стягивания эмиттируемого катодом пучка электронов магнитным полем собственного тока в пятно диаметром, менее миллиметра, на аноде при токе через ускоряющий промежуток, превышающем ток Альфвена.

Для повышения эффективности медицинских диагностических исследований прострельный анод может быть выполнен из лантановой фольги толщиной 40-80 мкм.

На выходе расходящегося потока квантов может быть установлена концентрирующая рентгеновская линза.

На чертеже изображена конструктивная схема генератора.

Импульсный рентгеновский генератор содержит импульсный генератор 1 высокого напряжения с величиной напряжения 0,3-3 МВ, рентгеновский вакуумный диод с дисковым катодом 2, имеющим кольцевой выступ, эмиттирующий электроны, и прострельным анодом 3, выполненным в виде металлической фольги, замыкатель 4 цепи рентгеновскую концентрирующую линзу 7. На чертеже также показаны области распространения излучений: пучок 5 электронов, первичное рентгеновское излучение 6, сфокусированное рентгеновское излучение 8.

Толщина и атомный состав фольги анода выбраны из условия получения максимального выхода рентгеновского излучения определенного спектрального состава. Так, для материала фольги, атомный состав которого характеризуется величиной Z в пределах 40-60, а параметр замагниченности 1/I_a в пределах 3-10, оптимальная по выходу квантов толщина фольги будет находиться в интервале 40-80 мкм.

Геометрические размеры диода и его электрические параметры связаны соотношением I=10⁴ RV/(d-vτ), где I ток пучка, А; R средний радиус выступа катода, см; d величина зазора катод анод, см; v скорость движения электронной плазмы, равная (4-6)10⁶ см/с; τ- длительность импульса напряжения, с; v напряжение на диодном промежутке, МВ.

Импульсный рентгеновский генератор работает следующим образом.

Генератором 1 высокого напряжения создается на диодном промежутке импульс напряжения в диапазоне 0,3-3 МВ с длительностью в интервале 5˙10^-8-10^-7с. В промежутке катод-анод создается поток электронов, сходящийся под действием магнитного поля собственного тока на аноде 3 в пятно диаметром, менее миллиметра, при токе через диод, превышающем ток Альфвена, с плотностью до 10⁷ А/см².

При взаимодействии релятивистских электронов пучка 5 с плазмой, образованной из материала анодной фольги (анод 3), осуществляется генерация рентгеновского излучения 6.

Расходящийся поток рентгеновского излучения 6 захватывается входным торцом капилляров рентгеновской линзы 7, имеющей угол захвата 25-30^о, и преобразуется в слаборасходящийся (сходящийся) пучок 8, плотность квантов которого в зоне исследуемого объекта увеличивается в 10-100 раз.

Сущность изобретения: генератор содержит высоковольтный источник напряжения на 0,3 1,5 МВ с длительностью импульса 5·10^-8-10⁷ и пиковой мощностью 10¹¹-10¹²Вт импульс напряжения с которого подается на диодный промежуток. Катод 2 диодного промежутка выполнен в виде диска, на торце которого, обращенном к аноду 3, образован кольцевой выступ, средний радиус которого связан с расстоянием катод-анод и электрическими параметрами диода соотношением I = 10⁴·RV/d-vτ где I ток пучка, А; R средний радиус выступа катода, см; d зазор катод-анод, см; U скорость движения электронной плазмы, равная (4-6)·10⁶см/с τ длительность импульса напряжения, с; V напряжение на диодном промежутке, мВ. При этом отношение R/d принято в интервале 10 30, а ширина кольцевого выступа катода l численно равна величине Ларморовского радиуса. Импульс высокого напряжения создает в диодном промежутке пучок электронов, который фокусируется собственным магнитным полем тока в разрядном промежутке на фольге анода 3 в пятно менее 1 мм. Полученный в результате взаимодействия электронного пучка 5 с фольгой анода 3 поток рентгеновского излучения 6 попадает на входной торец рентгеновской линзы 7 и преобразуется в слаборасходящийся (сходящийся) пучок. Полученный на выходе генератора пучок рентгеновского излучения используется для различных диагностических целей и предпочтительно в области медицины. В последнем случае в качестве материала фольги анода используется лантан. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий импульсный генератор высокого напряжения и рентгеновский вакуумный диод, снабженный катодом с кольцевой эмиттирующей электроны кромкой и прострельным анодом в виде металлической фольги, отличающийся тем, что, с целью повышения интенсивности генерируемого излучения, улучшения временного и пространственного разрешения при рентгенографировании, использован импульсный генератор мегавольтного напряжения на 0,3 3,0 МВ с длительностью импульса 5 · 10^-8 10^-7 с, а длина ускоряющего промежутка и геометрия катода рентгеновского вакуумного диода выбраны из условия стягивания эмиттируемого катодом пучка электронов магнитным полем собственного тока в пятно диаметром менее 1 мм на аноде при токе через ускоряющий промежуток, превышающем ток Альфвена. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности при медицинских диагностических исследованиях, прострельный анод выполнен из лантановой фольги толщиной 40 80 мкм. 3. Генератор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в него введена концентрирующая рентгеновская линза, расположенная за прострельным анодом.