ИМПУЛЬСНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1995 года по МПК H05G1/06 

Изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно к импульсной рентгеновской аппаратуре с емкостными накопителями энергии.

Известны импульсные рентгеновские генераторы, содержащие размещенные в общем изоляционном корпусе импульсную рентгеновскую трубку, высоковольтный импульсный источник энергии на основе одного или двух спиральных генераторов и разрядник-обостритель [1,2]
Обладая высокой компактностью, такие генераторы имеют невысокий КПД.

Известен импульсный рентгеновский генератор, содержащий импульсную рентгеновскую трубку, подключенный к трубке разрядный конденсатор, импульсный трансформатор, подключенный вторичной обмоткой к разрядному конденсатору и выполненный в виде коаксиальной конструкции из внешней первичной обмотки с формой сплошного цилиндра и внутренней вторичной обмотки, выполненной в виде имеющей форму усеченного конуса спирали [3]
Однако схема такого генератора не предусматривает использования на высоковольтной стороне импульсного трансформатора разрядника-обострителя, обеспечивающего укорочение длительности переднего фронта генерируемого импульса рентгеновского излучения и стабильность радиационного выхода.

Известна электрическая схема генератора, содержащая импульсный высоковольтный трансформатор, в цепь вторичной обмотки которого включены разрядная емкость, разрядник-обостритель и импульсная рентгеновская трубка [4]
Конструктивно такая схема может быть реализована в виде импульсного рентгеновского генератора, содержащего размещенные в заземленном металлическом корпусе высоковольтный импульсный трансформатор с коаксиальными внешней первичной и внутренней вторичной обмотками, разрядную емкость, разрядник-обостритель и импульсную рентгеновскую трубку, причем разрядная емкость образована указанным корпусом и расположенным коаксиально с ним стаканчатым электродом, который электрически соединен с вторичной обмоткой импульсного трансформатора и внутри которого размещен разрядник-обостритель, один электрод которого электрически соединен со стаканчатым электродом, а другой электрод с высоковольтным электродом импульсной рентгеновской трубки [7]
Недостатком известного генератора является невысокий КПД, что связано с неоптимальными условиями преобразования и передачи энергии на рентгеновскую трубку в высоковольтной цепи.

Задача изобретения заключается в повышении КПД генератора за счет оптимизации конструктивными средствами его электрических характеристик.

Согласно изобретению поставленная задача решена тем, что в импульсный рентгеновский генератор, содержащий размещенные в заземленном металлическом корпусе высоковольтный импульсный трансформатор с коаксиальными внешней первичной и внутренней вторичной обмотками, разрядный конденсатор, разрядник-обостритель и импульсную рентгеновскую трубку, причем обкладки разрядного конденсатора образованы указанным корпусом и расположенным коаксиально с ним стаканчатым электродом, который электрически соединен с вторичной обмоткой высоковольтного импульсного трансформатора и внутри которого размещен разрядник-обостритель, один электрод которого электрически соединен со стаканчатым электродом, а другой электрод с высоковольтным электродом импульсной рентгеновской трубки, введены металлическая трубка и ферритовые стержни, при этом вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена в виде конической спирали, ориентированной узким концом в сторону стаканчатого электрода, металлическая трубка расположена коаксиально внутри вторичной обмотки импульсного трансформатора и электрически соединена с ее высоковольтным концом, а ферритовые стержни приложены вдоль образующих цилиндрической поверхности металлической трубки равномерно по ее окружности.

В устройстве может быть использована вспомогательная катушка индуктивности, выполненная, например, в виде имеющей форму усеченного конуса спирали, электрически соединенной одним концом с вторым электродом разрядника-обострителя, а другим концом с заземленным корпусом и расширяющейся с охватом рентгеновской трубки и ее высоковольтного электрода в направлении от второго электрода разрядника-обострителя к соответствующему концу корпуса.

Первичная обмотка импульсного трансформатора может быть выполнена в виде плоской спирали, причем направления намотки спиралей первичной и вторичной обмоток выбраны из условия вычитания напряжений в промежутке между высоковольтным концом вторичной обмотки и соответствующим концевым участком первичной обмотки.

Ферритовые стержни желательно выполнять из материала с широким температурным диапазоном магнитных характеристик и отсутствием насыщения в сильных импульсных магнитных полях.

Ферритовые стержни можно распределять по окружности металлической трубки по принципу плотной упаковки, т.е. на минимальном расстоянии.

В генератор может быть введен по меньшей мере один экран для рентгеновского излучения в зоне задней полусферы относительно направления формируемого излучающей частью рентгеновской трубки, генератора полезного пучка.

Генератор может содержать два экрана, один из которых расположен вокруг рентгеновской трубки между нею и вспомогательной катушкой индуктивности, а другой выполнен в виде внутренней и/или внешней обкладки (облицовки) стаканчатого электрода.

Второй экран может быть расположен вокруг вспомогательной катушки индуктивности со стороны второго электрода разрядника-обострителя при указанном выше размещении первого экрана.

Использование совокупности признаков п.1 формулы обеспечивает повышение КПД генератора за счет того, что сочетание известного выполнения вторичной обмотки импульсного трансформатора с узлом металлическая трубка ферритовые стержни позволяет увеличить разрядную емкость генератора, что приводит к увеличению передаваемой на рентгеновскую трубку энергии.

Следует отметить, что применение ферритов в импульсных трансформаторах, в частности, с целью увеличения индуктивности обмотки само по себе известно [5] Однако в данном случае имеет место дополнительный эффект увеличения разрядной емкости за счет увеличения емкости трансформаторного узла вследствие привязки ферритовых стержней к потенциалу. Кроме того, использование именно стержней, а не колец, как обычно [6] позволяет устранить характерные для колец разрывы магнитного поля.

Введение вспомогательной индуктивности между корпусом генератора и вторым электродом разрядника-обострителя вокруг рентгеновской трубки и ее высоковольтного электрода также способствует повышению КПД генератора за счет жесткой привязки потенциала второго электрода разрядника-обострителя к нулю в момент зарядки разрядной емкости генератора. Это дает возможность не создавать избыточную паразитную емкость между высоковольтным электродом рентгеновской трубки и корпусом генератора, которая искажает (уменьшает) амплитуду импульса высокого напряжения, прикладываемого к рентгеновской трубке, и приводит к снижению радиационного выхода.

Признаки по п.3 формулы позволяют получить в упомянутом промежутке пониженную разность потенциалов, что обеспечивает повышенную электрическую прочность и/или позволяет уменьшить размер промежутка.

Признаки пп. 4.5 обеспечивают наиболее благоприятные условия реализации эффекта, отмеченного в связи с признаками п.1.

Признаки по пп.6-8 решают задачу повышения радиационной безопасности генератора рациональным с точки зрения его конструктивного выполнения образом.

При этом размещение второго экрана согласно п.8 формулы дополнительно способствует выравниванию электрического поля на материале каркаса вспомогательной катушки индуктивности, что повышает электрическую стойкость данного компонента генератора во время работы.

На фиг. 1 приведена электрическая схема импульсного рентгеновского генератора; на фиг. 2 конструкция генератора, продольный разрез; на фиг. 3 схема, поясняющая принцип взаимной намотки первичной и вторичной обмоток импульсного трансформатора; на фиг. 4 изображено сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 5 показана эквивалентная емкостная схема узла вторичной обмотки импульсного трансформатора; на фиг. 6 эквивалентная емкостная схема узла корпус вспомогательная катушка индуктивности рентгеновская трубка.

Импульсный рентгеновский генератор 1 содержит расположенные в заземленном металлическом корпусе 2 высоковольтный импульсный трансформатор 3, разрядный конденсатор С_р, разрядник-обостритель 4, импульсную рентгеновскую трубку 5 и вспомогательную катушку 6 индуктивности. Паразитная емкость С_п расположена между высоковольтным электродом (анодом) рентгеновской трубки 5 и корпусом 2. Генератор работает от зарядного блока обычного типа, включающего коммутирующий разрядник и зарядный конденсаторы (см. например [4] или [7] Этот зарядный блок подключается к первичной обмотке импульсного трансформатора 3.

Конструктивно импульсный трансформатор 3 содержит имеющую форму плоской спирали внешнюю первичную обмотку 7 на каркасе 8 из оргстекла, подключаемую к зарядному блоку (не показан), и коаксиальную внутреннюю вторичную обмотку 9 в виде имеющей форму полого усеченного конуса спирали на соответствующем каркасе 10 из оргстекла. Внутри вторичной обмотки 9 размещены металлическая трубка 11, электрически соединенная с высоковольтным концом вторичной обмотки 9, и расположенные по принципу плотной упаковки вокруг нее вдоль образующих трубки ферритовые стержни 12, которые охвачены обжимным колпачком 13. Используемые ферритовые стержни 12 предпочтительно выполнены из материала с широким температурным диапазоном магнитных характеристик, что связано с выделяемым при работе генератора теплом и отсутствием насыщения в сильных импульсных магнитных полях. Таким требованиям удовлетворяют, например, ферриты марки 700 НМС.

Первичная и вторичная обмотки 7 и 9 импульсного трансформатора 3 имеют такие направления намотки, при которых напряжения на высоковольтном конце вторичной обмотки 9 и на внутреннем выводе первичной обмотки 7 в промежутке между ними вычитаются. Принцип такой намотки показан на фиг. 3, где указанные выше выводы являются концами обмоток, т.е. одноименными выводами.

С трубкой 11 состыкован стаканчатый электрод 14, образующий с заземленным корпусом 2 генератора 1 разрядный конденсатор С_р. Внутри стаканчатого электрода 14 размещен разрядник-обостритель 4, первый электрод 15 которого электрически соединен (в частности, конструктивно совмещен) со стаканчатым электродом 14, а второй электрод 16 электрически соединен (конструктивно совмещен) с игольчатым анодом 17 импульсной рентгеновской трубки 5, снабженной имеющим форму шайбы заземленным катодом 18, работающим на основе эффекта взрывной эмиссии электронов.

Вспомогательная катушка 6 индуктивности с каркасом 19 из оргстекла выполнена в виде имеющей форму усеченного конуса спирали, охватывающий шток игольчатого анода 17 рентгеновской трубки 5, начиная от зоны вывода второго электрода 16 разрядника-обострителя 4.

Импульсный рентгеновский генератор 1 может быть снабжен двумя экранами 20 и 21 или 22 для рентгеновского излучения, перекрывающими заднюю полусферу распространения излучения по отношению к направлению формируемого полезного пучка генератора 1. Первый экран 20 расположен между рентгеновской трубкой 5 и вспомогательной катушкой 6 индуктивности. Второй, дополняющий по телесному углу задней полусферы экран 21 может быть выполнен в виде внутренней и/или внешней свинцовой облицовки алюминиевого стаканчатого электрода 14. Естественно, что внутренняя облицовка требует меньше материала по сравнению с внешней.

В другом варианте экран 22 имеет форму колпачка, охватывающего расположенную со стороны разрядника-обострителя 4 часть вспомогательной катушки 6 индуктивности, что способствует выравниванию электрического поля на оргстекле каркаса 19 катушки 6 индуктивности.

Импульсный рентгеновский генератор работает следующим образом.

При поступлении импульсного напряжения с зарядного блока (не показан) импульсный трансформатор 3 заряжает разрядную емкость С_р. По достижении напряжения пробоя разрядника-обострителя 4 импульс высокого напряжения с емкости С_р поступает на высоковольтный электрод (анод) 17 рентгеновской трубки 5 и вызывает взрывную эмиссию электронов с кромок катода 18. После ускорения электрическим полем трубки 5 эти электроны тормозятся на аноде 17, в результате чего генерируется импульс рентгеновского излучения.

Введение узла из металлической трубки 11 и ферритовых стержней 12 приводит к тому, что эквивалентная емкостная схема вторичной стороны импульсного трансформатора 3 приобретает вид, показанный в верхней части фиг. 5, т.е. по сравнению с трансформатором без ферритовых стержней 12 на потенциальной металлической трубке 11 (нижняя часть фиг.5) межвитковые емкости вторичной обмотки 9 (по диагонали) имеют дополнительное замыкание на металлическую трубку 11. В реализованном варианте генератора такое решение позволило увеличить емкость вторичной стороны трансформатора 3 с ≈15 до ≈25 пФ. Поскольку эта емкость суммируется с Ср, то тем самым увеличивается доля энергии, передаваемой при разряде в рентгеновскую трубку 5.

При рассмотрении влияния вспомогательной катушки 6 индуктивности на работу генератора 1 следует обратить внимание на то, что результирующая эквивалентная емкостная схема узла стержневой анод 17 катушка 6 индуктивности заземленный металлический корпус 2, приведенная в верхней части фиг. 6, идентична схеме в верхней части фиг. 5. Однако такая схема формируется при ином исходном состоянии, что можно видеть путем сравнения схем на нижних частях фиг. 5 и 6.

Введение вспомогательной катушки 6 индуктивности приводит к привязке потенциала второго электрода 16 разрядника-обострителя 4 к нулю в момент зарядки разрядной емкости С_р генератора 1 и позволяет не создавать избыточную паразитную емкость С_п между высоковольтным электродом (анодом) 17 рентгеновской трубки 5 и корпусом 2 генератора 1, в частности, за счет эффекта деления паразитной емкости С_n между витками вспомогательной катушки 6 индуктивности.

Эффект радиационной защиты от использования в генераторе 1 экранов 20 и 21 или 22 очевиден и не нуждается в дополнительных пояснениях.

В реализованном варианте генератора на напряжение 150 кВ величина КПД достигает ≈35% что существенно превышает величины КПД в 12-15% характерные для выпускаемых импульсных аппаратов.

Изобретение относится к импульсной рентгенотехнике и служит для повышения КПД импульсного рентгеновского генератора, для чего в генераторе 1 использован импульсный трансформатор 3 с коаксиальными внешней первичной обмоткой 7 и внутренней вторичной обмоткой 9, выполненной в виде конической спирали с расположенным внутри нее узлом из металлической трубки 11 и проложенных вдоль нее ферритовых стержней 12, причем трубка 11 электрически соединена с высоковольтным концом вторичной обмотки. Генератор может также содержать катушку 6 индуктивности, охватывающую высоковольтный электрод 17 рентгеновской трубки 5, подключаемую одним выводом к одному из электродов 16 разрядника-обострителя 4, а другим выводом к металлическому корпусу 2 генератора 1. 7 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий высоковольтный импульсный трансформатор с коаксиальными внешней первичной и внутренней вторичной обмотками и размещенные в металлическом корпусе разрядный конденсатор, разрядник-обостритель и импульсную рентгеновскую трубку, причем корпус, соединенный с низковольтными выводами вторичной обмотки и рентгеновской трубки, использован в качестве первой обкладки разрядного конденсатора, в качестве второй обкладки которого использован стаканчатый электрод, соединенный с высоковольтным выводом вторичной обмотки и первым электродом расположенного внутри него разрядника-обострителя, второй электрод которого соединен с высоковольтным выводом рентгеновской трубки, отличающийся тем, что введены металлическая трубка и ферритовые стержни, причем вторичная обмотка выполнена в виде конической спирали, на узком основании которой расположен высоковольтный вывод вторичной обмотки, соединенный с расположенной внутри вторичной обмотки металлической трубкой, с внешней стороны которой параллельно ее продольной оси расположены ферритовые стержни. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что в него дополнительно введена катушка индуктивности, выполненная в виде спирали, охватывающей высоковольтный вывод рентгеновской трубки, причем один вывод катушки индуктивности соединен с высоковольтным выводом рентгеновской трубки со стороны разрядника-обострителя, а другой вывод соединен с корпусом. 3. Генератор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что первичная обмотка выполнена в виде плоской спирали так, что внутренний вывод первичной обмотки и высоковольтный вывод вторичной обмотки являются одноименными выводами обмоток трансформатора. 4. Генератор по пп. 1 3, отличающийся тем, что ферритовые стержни выполнены из материала с широким температурным диапазоном магнитных характеристик и отсутствием насыщения в сильных импульсных магнитных полях. 5. Генератор по пп. 1 5, отличающийся тем, что ферритовые стержни распределены по окружности металлической трубки с минимальным расстоянием между ними. 6. Генератор по пп. 1 5, отличающийся тем, что в него введен по крайней мере один экран рентгеновского излучения, расположенный в зоне задней полусферы излучающей части рентгеновской трубки. 7. Генератор по п. 2, отличающийся тем, что в него введены два экрана рентгеновского излучения, один из которых расположен между рентгеновской трубкой и катушкой индуктивности, а другой выполнен в виде облицовки стаканчатого электрода. 8. Генератор по п. 2, отличающийся тем, что в него введены два экрана рентгеновского излучения, один из которых расположен вокруг рентгеновской трубки между нею и катушкой индуктивности, а другой расположен вокруг катушки индуктивности со стороны второго электрода разрядника-обострителя.