ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1996 года по МПК H01J35/22 

Изобретение относится к быстродействующей рентгеновской технике, круг применения которой чрезвычайно широк: медицина, промышленность, космическая техника, научные исследования. Источники коротких рентгеновских импульсов особенно важны в устройствах с большой скоростью счета событий: рентгеновских высотомерах, рентгеновских томографах, физических исследованиях космического пространства.

В импульсной рентгеновской технике используются двухэлектродные рентгеновские трубки, основными недостатками которых являются нестабильность параметров рентгеновских импульсов и малая частота следования; кроме того, для получения импульсов субнаносекундной длительности на двухэлектродных трубках необходимо повышение анодного напряжения до значений U_a ≥ 1 · 10⁶ В [1]
Известен источник рентгеновских импульсов, основными элементами которого являются трехэлектродная рентгеновская трубка и модулятор, собранный на тиристорах. Такие модуляторы имеют габариты, превышающие габариты самой рентгеновской трубки, и большую потребляемую мощность.

Известен источник рентгеновских импульсов, содержащий трехэлектродную трубку и модулятор с накопителем в виде формирующей линии [2]
Указанный источник позволяет получать стабильные по амплитуде, форме и длительности рентгеновские импульсы с высокой частотой следования (МГц) при низких и средних напряжениях на аноде трубки: U_a < 1 ·10⁶ В [2] Недостатками известного источника, состоящего из трехэлектродной трубки и модулятора являются длительные (единицы наносекунд) времена нарастания и спада рентгеновского импульса, вследствие чего минимальная длительность рентгеновского импульса на высоте 0,1 от максимальной интенсивности составляет ≈ 10 нс при колоколообразной форме импульса; наличие соединительных элементов (проводники, резистор, емкость) между рентгеновской трубкой и модулятором, создающим управляющий электрический импульс; эти элементы также ухудшают быстродействие системы в целом; большие габариты конструкции, состоящей из рентгеновской трубки и расположенного отдельно модулятора.

Цель изобретения повышение быстродействия устройства и уменьшение его габаритов.

Цель достигается тем, что источник рентгеновских импульсов выполнен в виде единого модуля: рентгеновской трубки и модулятора, связь между которыми выполнена коаксиально, а коммутирующий элемент модулятора представляет собой полупроводниковый монокристалл с субнаносекундным временем переключения, который размещен внутри коаксиальной линии.

На фиг. 1 показана конструкция источника рентгеновских импульсов; на фиг. 2 приведена форма рентгеновских импульсов источника.

Рентгеновская трубка 1 содержит анод 2, управляющий электрод-сетку 3 и термокатод 4 с подогревателем 5. Подвод напряжения к подогревателю 5 осуществляется с помощью проводников 6. Высоковольтное напряжение на анод 2 трубки подается от источника 7.

Термокатод 4 и управляющий электрод 3 выполнены в виде двух коаксиальных цилиндров, оканчивающихся разъемом 8. К разъему 8 подсоединены модулятор 9, выполненный в виде двух внутренних (сплошных) 10, 11 и внешнего (полого) 12 металлических цилиндров и субнаносекундного монокристаллического полупроводникового коммутатора 13, расположенного внутри. Корпус модулятора и катодно-сеточная часть трубки представляют собой единую коаксиальную линию, что обеспечивает возможность в единой конструкции сохранить функции коаксиальной линии и субнонасекундной коммутации модулятора с катодно-сеточным узлом. Таким образом, модулятор содержит один активный элемент малогабаритный полупроводниковый коммутатор 13, расположенный внутри коаксиальной линии, при этом корпус модулятора является накопителем или основной формирующей линией.

На выходе модулятора 9, формирующего управляющие импульсы, имеется разъем 14, который служит для подачи управляющего напряжения, а также для подключения при необходимости дополнительной формирующей линии 15, позволяющей формировать прямоугольные импульсы заданной длительности. Запускающий импульс на управляющий электрод коммутатора 13 подается через согласующее сопротивление 16 от малогабаритного генератора 17 прямоугольных импульсов.

Принцип работы предлагаемого источника рентгеновских импульсов следующий.

Включают через проводники 6 переменное напряжение накала около 6,3 В; постоянное, регулируемое управляющее напряжение, являющееся одновременно напряжением питания модулятора, максимальное значение которого (от 150 до 700 В в зависимости от типа катода и величины зазора сетка-катод) обеспечивает полную эмиссию электронов из катода; от источника 7 стабилизированное высокое напряжение анода трубки U_a 50-200 кВ в зависимости от конструкции (длины) трубки и от цели применения устройства (анодное напряжение может быть постоянным или переменным, совпадающим по частоте с частотой следования импульсов модулятора); запускающие импульсы на коммутатор 13 от генератора 17. При использовании GaAs-коммутатора параметры запускающего импульса: напряжение U ≃ 10 В, ток 100 мА, длительность Δt 100 нс, фронт не хуже 5 нс, частота следования f 100 кГц.

При срабатывании полупроводниковый коммутатор и модулятор в целом формируют короткий управляющий импульс, а предложенная конструкция катодно-сеточной части трубки обеспечивает передачу этого импульса без искажений на промежуток сетка-катод трубки. Поскольку модулятор 9 содержит лишь один активный элемент 13, то его потребляемая мощность мала, а КПД более 0,9.

При поступлении управляющего импульса на промежуток сетка-катод формируется соответствующий импульс анодного тока трубки, создающий рентгеновское тормозное излучение анода (антикатода) трубки.

Испытания, проведенные на устройстве, работающем в режиме U_a 50 кВ, I_a 0,1 А при волновом сопротивлении коаксиальной линии 50 Ом, позволили получить при использовании GaAs-коммутатора стабильные по амплитуде рентгеновские импульсы длительностью 0,3 нс на уровне 0,1 от амплитуды с частотой следования 100 кГц. Определение формы и длительности рентгеновских импульсов проводилось методом однофотонного счета в системе блоков КАМАК с использованием быстродействующего фотоэлектрического умножителя и быстрого пластмассового сцинтиллятора (время спада 0,1 нс).

Форма импульсов на выходе системы показана на фиг. 2: кривая 1 без использования формирующей линии 15; кривая 2 с использованием линии 15, формирующей импульс длительностью 10 нс.

Предлагаемое устройство позволяет получать рентгеновские импульсы, длительность которых в 30 раз меньше, чем в известных рентгеновских излучателях. Уменьшение длительности рентгеновских импульсов имеет важное значение для многих практических применений. В авиационных и космических высотомерах и дальномерах уменьшение длительности Δt рентгеновских импульсов увеличивает точность определения координат и угловой ориентации движущихся объектов (в этом случае важны также компактность и целостность устройства). В медицинской диагностике уменьшение Δt приводит к уменьшению дозы радиации, полученной пациентом, а также к увеличению точности время-пролетных томографов.

При всех других применениях (исследование баллистических процессов, контроль качества, таможенный контроль, структурный и спектральный анализ и т. д. ) положительным эффектом устройства является повышение радиационной безопасности и уменьшение потребляемой мощности при сохранении других параметров: энергии рентгеновских квантов, амплитуды и частоты следования импульсов.

В некоторых физических экспериментах (астрофизика, биофизика и т.д.) и устройствах, использующих явление рентгенолюминесценции (сепараторы алмазосодержащей руды), необходимы крутые фронты прямоугольных рентгеновских импульсов, а длительность импульсов может выбираться в зависимости от заданной энергии отдельного импульса. Для таких задач в устройстве предусмотрена возможность изменения длительности рентгеновских импульсов, которая осуществляется простым способом изменением длины коаксиальной линии (кабеля) 15, подключаемого к модулятору. Испытания показали возможность получения прямоугольных рентгеновских импульсов длительностью 1,0-5,0 нс с фронтом 0,1 нс и спадом (задним фронтом) 0,2 нс. При этом остальные параметры устройства не изменяются.

Использование: быстродействующая рентгеновская техника для медицины, промышленности, космической техники, научных исследований. Сущность изобретения: источник рентгеновских импульсов выполнен в виде единого модуля, в котором катодно - сеточный узел трехэлектродной рентгеновской трубки и модулятор выполнены в виде единой коаксиальной линии, а коммутирующий элемент выполнен в виде полупроводникового монокристалла внутри коаксиальной линии. 2 ил.

ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКИХ ИМПУЛЬСОВ, содержащий трехэлектродную рентгеновскую трубку, модулятор с формирующей линией и источники питания, отличающийся тем, что катодно-сеточный узел рентгеновской трубки и модулятор выполнены в виде единой коаксиальной линии, а в качестве коммутирующего элемента модулятора использован полупроводниковый монокристалл.