СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И РЕНТГЕНОВСКИЙ ИСТОЧНИК Российский патент 1996 года по МПК H01J35/10 

Предлагаемое изобретение относится к разделу генерации рентгеновского излучения, основанному на торможении электронов, а более точно к рентгеновским трубкам с вращающимся анодом.

Известен способ увеличения мощности рентгеновского источника, в котором для уменьшения времени нагрева материала анода электронным пучком анод вращают [1] Чем больше линейная скорость анода, тем большую мощность можно высадить на нем при одинаковых размерах фокуса. Во всех известных устройствах фокус источника располагают на внешних поверхностях вращающегося тела анода: на образующих цилиндра или конуса и на его боковых поверхностях. Поэтому при нагреве анода до расплавления материала в фокусе, жидкий металл из него выбрасывается центробежными силами. Хотя глубина расплавленного металла составляет несколько микрон, т.к. при "импульсном" нагреве прогревается только самый верхний слой металла [2] многократное повторение этого процесса приводит к прогоранию анода. Это накладывает ограничение на мощность электронного пучка.

Кроме того, мощность дополнительно ограничивается термоциклической усталостью материала анода. Циклический нагрев и охлаждение материала приводит к уменьшению прочности анода и тем самым к ограничению ресурса. Чем выше перепады температур при термоциклах, тем быстрее наступает усталость. Обычно вращающиеся аноды рассчитаны на 500-1000 часов работы, после чего их заменяют новыми. Чтобы достичь этого ресурса, температурные перепады уменьшают до температур, близких к безопасной. Эта температура составляет около 0,33 от его температуры плавления [3,c.184] Физическое объяснение усталости заключается в следующем. При быстром охлаждении вакансии не успевают мигрировать к поверхности и скапливаются внутри материала в большие образования поры, которые разрыхляют материал, уменьшая его прочность. Расположение нагреваемого фокуса на внешней поверхности вращающегося анода усугубляет картину усталости. Под действием центробежных сил более тяжелые атомы стремятся к поверхности, заставляя вакансии ускоренно и в большом количестве мигрировать внутрь анода, убыстряя тем самым процесс усталости.

Задачами предполагаемого изобретения являются:
1) увеличение мощности электронного пучка до такой степени, чтобы расплавлялся материал анода без удаления расплава с его поверхности, что приведет к значительному, не менее, чем на порядок, увеличению выхода рентгеновских лучей;
2) значительного уменьшения или исключения полностью влияния термоциклической усталости материала анода, что приведет к значительному увеличению ресурса источника.

Для этого в рентгеновском источнике с вращающимся анодом
1) Используют скрытую теплоту плавления материала анода;
2) направление пучка электронов выбирают совпадающим или близким к направлению центробежной силы, действующей на анод в фокусе;
3) мощность пучка электронов выбирают такой, чтобы довести температуру в фокусе выше температуры плавления материала анода.

В устройстве, осуществляющем способ, тело анода выполняют в виде кольца с фокусом, расположенном на внутренней поверхности этого кольца. При этом эту поверхность кольца можно выполнить слегка вогнутой к фокусу, что облегчает устойчивость жидкости в фокусе. Угол наклона выполняют небольшим в пределах единиц градусов, чтобы сильно не зарезать угол выхода рентгеновских лучей. Электронную пушку выполняют так, чтобы фокус источника располагался в самой низкой области внутренней поверхности кольца. Конкретно ее можно выполнить несколькими способами. Ось пушки располагают под небольшим углом к нормали к внутренней поверхности кольца анода так, что электроны падают на эту поверхность под небольшим углом, что очень мало уменьшает выход рентгеновских лучей. Этот пучок очень мало уменьшает выход рентгеновских лучей. Этот пучок можно поворачивать в нормальное направление с помощью отклоняющей системы. Пушку можно выполнить изломанной так, чтобы излучающая и формирующая части электронной пушки были внутри анодного кольца, а вспомогательные части вынесены из кольца. Линейную скорость внутренней поверхности кольцевого анода выбирают такой, чтобы центробежные силы не давали вытекать расплавленному металлу из фокуса. Конкретно скорость зависит от атомного веса материала, его вязкости в жидком состоянии, от величины фокуса, от вида и формы подложки и т.п.

Поясним возможность осуществления изобретения. Как уже было сказано, чтобы сделать приемлемым ресурс анода, температуру в фокусе выбирают в районе 0,33 от температуры плавления материала анода [3, c.184] Для меди, наиболее распространенного материала анода, это 448 К (1356 К 0,33). Чтобы нагреть до этой температуры один грамм меди (в фокусе нагревают около этой массы), необходимо затратить тепловой энергии [4, c.20 и с.180]
Q[дж] C[дж/г К] m [г] Т [K] 0,410 1 (448 300) 61 [дж]
Чтобы нагреть ту же массу меди до точки плавления 1356 К, необходимо еще
481 [дж] 0,53 1 (1356 448)
Кроме того скрытая теплота плавления материала анода имеет значительную величину. Для меди это 213 дж/г.

В результате нагрева фокуса до температуры плавления и использования скрытой теплоты ее плавления можно прибавить порядок в мощности трубки 694 дж (481+213), против 61 дж, требующиеся на нагрев до безопасной температуры (694:61 11 раз).

Расплавленный микронный слой материала анода не будет вытекать из образовавшейся жидкой зоны вблизи фокуса в результате действия центробежной силы, сил поверхностного натяжения, слегка вогнутой формы анода и быстрого застывания этой зоны. Последнее происходит при вращении кольца анода и удалении расплавленной области из зоны нагрева. Известно, что остывание нагретой точки до исходной температуры происходит на расстоянии в несколько размеров фокуса по окружности кольца при достаточном теплоотводе от анода или достаточной массе последнего при кратковременных режимах работы [2] Длина же кольца анода обычно такова, что процесс остывания до исходной температуры успевает завершиться.

Кроме повышения мощности практически исключаются термоусталостные ограничения, т. к. в поле центробежных сил вакансии мигрируют к центру вращения, т.е. на внутреннюю поверхность кольца анода, не скапливаясь в поры и не разрыхляя материал анода. Этот процесс аналогичен процессу, происходящему при центробежном литье, при котором получают очень прочные и качественные изделия.

Устройство, объясняющее возможность осуществления способа увеличения мощности рентгеновского источника показано на чертеже, где изображен тормозной рентгеновский источник с вращающимся анодом.

Устройство выполнено так, что электронный пучок 1 из электронной пушки 2 может падать в фокус 3, расположенный на внутренней поверхности кольцевого анода 4. Этот анод закреплен в подшипниках 5 с возможностью вращения вокруг центральной оси с помощью двигателя 6. В варианте, показанном на фигуре, направление пучка 1 показано близким к направлению центробежной силы F, действующей на анод в фокусе 3 при вращении. Для выпуска рентгеновского пучка 7 имеется окно 8. Внутренняя поверхность может быть выполнена вогнутой с обеих сторон к фокусу на угол 9 величиной до 1-2 градуса. Для отвода тепла от фокуса 3 и фокусной дорожки 10 имеются каналы для теплоносителя входной 11 и выходной 12. Направление потока теплоносителя изображено стрелками 13. Вакуум создается через канал 14. Вращающееся уплотнение 15 обеспечивает ввод вращения в вакуумный объем.

Устройство работает следующим образом. Откачивают вакуумный объем через канал 14. Включают вращение анода 4 с помощью двигателя 6, а затем поток теплоносителя 13. После включения электронного пучка 1 возникает рентгеновский пучок 7 а в фокусе 3 на внутренней поверхности анода повышается температура. Чем выше мощность пучка 1, тем выше температура в фокусе. При определенной мощности происходит расплавления поверхностного слоя внутренней поверхности анода 4. Под действием центробежной силы F этот жидкий металл прижимается к поверхности в результате действия сил поверхностного натяжения или вогнутой ее конфигурации. При уходе из фокуса в результате вращения анода нагретая точка постепенно остывает до исходной температуры к моменту нового нагрева. Тепло уносится из вращающегося анода теплоносителем 13. Таким образом, в результате увеличения мощности электронного пучка до величины достаточной для расплавления материала анода в районе фокуса, яркость источника для всех анодных материалов повышается практически на порядок.

Источники информации.

Иванов С. А. Кириенко С.В. Мощные генераторы рентгеновского излучения с вращающимся анодом. Обзоры по электронной технике Сер.4. вып.1 (1100). М. ЦНИИ "Электроника", 1985.

Иванов С.А. Кириенко С.В. Щукин Г.А. Расчет тепловых процессов в анодах рентгеновских трубок. Обзоры по электронной технике. Сер.4, вып.2 (1175). М. ЦНИИ "Электроника", 1986.

3. Коваленко В.Ф. Теплофизические процессы и электровакуумные приборы. М. Сов. радио, 1975.

4. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник. М. 1968. Атомиздат.

Использование: рентгеновские трубки с вращающимся анодом. Сущность изобретения: способ увеличения мощности рентгеновского источника основан на торможении ускоренного электронного пучка в фокусе на вращающемся аноде. Направление пучка электронов выбирают совпадающим или близким к направлению центробежной силы, действующей на аноде в фокусе. При этом температуру в фокусе поддерживают выше температуры плавления материала анода. Анод выполнен в виде цилиндрического кольца с фокусом на внутренней поверхности 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ генерации рентгеновского излучения, основанный на торможении ускоренного электронного пучка на фокусной дорожке мишени вращающегося анода, отличающийся тем, что направление электронного пучка выбирают совпадающим или близким к направлению центробежной силы, действующей на мишень анода в области падения электронного пучка, а мощность электронного пучка выбирают достаточной для разогрева материала фокусной дорожки до температуры выше температуры его плавления. 2. Рентгеновский источник, содержащий вращающийся анод и электронную пушку, отличающийся тем, что тело анода выполнено в виде полого цилиндра, внутренняя поверхность цилиндра в области фокусной дорожки имеет Л-образный профиль, стороны которого составляют с образующей цилиндра 1 2°, при этом положение электронной пушки относительно анода выбирают из условия обеспечения размещения фокусной дорожки в нижней части Л-образного профиля.