МАЛОГАБАРИТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ АППАРАТ Российский патент 1997 года по МПК H05G1/06 H01J35/00 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и рентгенографии и может быть использовано для быстрого изменения выходного напряжения высоковольтных импульсных источников питания малогабаритных рентгенаппаратов, предназначенных для оперативного исследования объектов с различной рентгенографической плотностью в нестационарных условиях.

Известны малогабаритные импульсные рентгеновские аппараты, состоящие из рентгеновской трубки с холодным катодом и высоковольтного импульсного источника питания, содержащего преобразователь напряжения, емкостной первичный накопитель, низковольтный коммутатор, импульсный повышающий трансформатор, высоковольтный накопитель и неуправляемый газоразрядный высоковольтный коммутатор (Г.А.Месяц, "Генерирование мощных насососекундных импульсов", Москва, "Советское Радио", 1974, стр.227, рис.12.17).

Известно, что проникающая способность рентгеновского излучения возрастает с увеличением напряжения на рентгеновской трубке. В свою очередь выходное напряжение высоковольтных импульсных источников в основном определяется напряжением срабатывания коммутаторов. В малогабаритных импульсных рентгенаппаратах в качестве высоковольтных коммутаторов обычно используются отпаянные разрядники высокого давления, имеющие одно фиксированное напряжение срабатывания, поэтому при рентгенографии объектов толщины и плотности необходимо иметь несколько рентгенаппаратов с различными напряжениями на трубках
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является малогабаритный рентгеновский аппарат, конструкция которого описана в статье А.С. Ельчанинова, А.С.Котова, В.Г.Шпака, Я.Я.Юрике и М.И.Яландина, "Малогабаритные импульсные рентгеновские аппараты и ускорители серии РАДАН, опубл. в журнале "Электронная техника. Сер.4. Электровакуумные и газоразрядные приборы", 1987, вып.2 (118), с.34-37. В нем высоковольтный импульсный источник питания выполнен на основе резонансного трансформатора (трансформатора Тесла), совмещенного с высоковольтным накопителем, в качестве которого используется отрезок коаксиальной формирующей линии с масляной изоляцией. В качестве высоковольтного коммутатора использован отпаянный разрядник высокого давления, поэтому вся конструкция представляет собой комплект, состоящий из двух высоковольтных блоков с различными напряжениями на рентгеновских трубках, но поочередно подключаемых к общему преобразователю напряжения. Поскольку высоковольтный блок является самой сложной и тяжелой частью рентгенаппарата, то такое решение приводит к значительному увеличению массы всего устройства. Кроме того, смена блока в процессе работы связана с дополнительными потерями времени.

Целью изобретения является обеспечение возможности быстрого переключения двух фиксированных напряжений на рентгеновской трубке в одном малогабаритном импульсном рентгенаппарате.

Цель достигается тем, что в малогабаритном импульсном рентгенаппарате, содержащем рентгеновскую трубку с холодным катодом, подключенную к импульсному источнику высокого напряжения, который состоит из преобразователя, первичного накопителя энергии с низковольтным коммутатором, импульсного трансформатора, вторичного накопителя энергии и высоковольтного газоразрядного коммутатора, размещенных в общем корпусе, переключение выходного напряжения импульсного источника осуществляется путем изменения межэлектродного зазора (расстояние между рабочими поверхностями электродов) в неуправляемом двухэлектродном разряднике, используемом как высоковольтный коммутатор.

Поскольку малогабаритные разрядники для этих целей выполняются в виде отпаянной конструкции, заполнены газом под высоким давлением, а их электроды в процессе работы находятся под высоким напряжением, то основной сложностью практической реализации является создание устройства для изменения зазора с дистанционным приводом без подвижных уплотнений. Относительно небольшая масса малогабаритных рентгенаппаратов позволяет использовать инерционный привод механизма изменения величины зазора, срабатывающий от встряхивания или легкого удара корпуса всего рентгенаппарата.

Существенным отличительным признаком заявляемого устройства является то, что высоковольтный коммутатор импульсного источника питания выполнен в виде двухэлектродного газового разрядника с изменяющимся зазором, для чего один из его электродов состоит из коаксиально расположенных неподвижной и подвижной частей, при этом подвижная часть электрода соединена с инерционным грузом и имеет возможность перемещаться вдоль оси разрядника, удерживаясь в крайних положениях фиксирующим устройством. Для надежной фиксации положения подвижного электрода неподвижная и подвижная части электрода изготовлены из немагнитного материала, рабочая поверхность электрода расположена на подвижной части, а фиксирующее устройство выполнено в виде постоянного магнита, служащего одновременно инерционным грузом, и двух жестко закрепленных на неподвижной части электрода стальных шайб с расположенными со стороны постоянного магнита немагнитными прокладками, причем расстояние между шайбами обеспечивает требуемую величину изменения рабочего зазора разрядника.

Как вариант конструкции неподвижная и подвижная части электрода имеют собственные рабочие поверхности, величина перемещения подвижной части устанавливается больше требуемой величины изменения рабочего зазора, а одно из крайних положений подвижной части электрода установлено таким образом, что рабочая поверхность этого электрода выступает внутрь рабочего зазора разрядника на требуемую величину его изменения.

Для удобства напряжения на рентгеновской трубке на противоположных, по оси разрядника, сторонах корпуса рентгенаппарата установлены амортизаторы, например, в виде резиновых колец.

На фиг.1 представлена схема малогабаритного импульсного рентгенаппарата; на фиг. 2,3 конструкция высоковольтной части с двумя вариантами электродов высоковольтного коммутатора. Оба варианта показаны в положении минимального зазора, т.е. минимального напряжения на рентгеновской трубке.

Малогабаритный импульсный рентгенаппарат (фиг.1) собран на основе импульсной рентгеновской трубки с холодным катодом РТ, подключенной к высоковольтному импульсному источнику питания, который состоит из преобразователя напряжения ПН; конденсатора С1, служащего первичным накопителем энергии; низковольтного коммутатора НК, в качестве которого использован быстродействующий тиристор, тиратрон или газовый разрядник; импульсного резонансного трансформатора ТР, совмещенного с отрезком коаксиальной линии С2, служащей в качестве вторичного накопителя; высоковольтного коммутатора ВК в виде отпаянного двухэлектродного газового разрядника высокого давления с изменяющимся рабочим зазором. Параллельно рентгеновской трубке РТ подключен дроссель ДР, представляющий собой однослойную катушку индуктивности конической формы.

Высоковольтная часть рентгенаппарата (фиг.2) размещена в герметичном металлическом корпусе цилиндрической формы 1, заполненном для изоляции трансформаторным маслом. На противоположных концах корпуса установлены кольцевые резиновые амортизаторы 2. Первичный накопитель С1, низковольтный коммутатор НК и преобразователь напряжения ПН размещены в отдельном, закрепленном на высоковольтном блоке негерметичном отсеке (не показан). Двухэлектродный неуправляемый газоразрядный коммутатор высокого давления состоит из прочного металлического корпуса 3, в котором на изоляторах 4 и 5 закреплены электроды 6 и 7. Электрод 7 имеет коаксиальную подвижную часть 8, при перемещении которой вдоль оси разрядника величина рабочего зазора уравнивается максимальной S2 или минимальной S1, обусловливая напряжение срабатывания. Подвижная часть 8 жестко соединена с инерционным грузом 9, в качестве которого служит кольцевой постоянный магнит, и имеет возможность перемещаться вместе с ним на величину изменения рабочего зазора ΔS = S₂-S₁ фиксируясь в крайних положениях устройством, состоящим из стальных шайб 10 и 11, закрепленных на неподвижной части 7, а также немагнитных прокладок 12 и 13, расположенных между магнитом и стальными шайбами. Кроме шайб 10 и 11 и инерционного груза 9 все остальные детали электрода выполнены из немагнитного материала.

Другой вариант конструкции электродов разрядника представлен на фиг.3. В нем неподвижная часть электрода 8 имеет собственную рабочую поверхность 14, расстояние между шайбами 10 и 11 фиксирующего устройства установлено таким образом, что ход подвижной части электрода 8 превышает величину изменения зазора ΔS, а фиксатор одного из крайних положений подвижного электрода 10 установлен таким образом, что рабочая поверхность подвижного электрода выступает внутрь рабочего зазора разрядника на величину ΔS.
Устройство работает следующим образом.

Преобразователь ПН (фиг.1) заряжает первичный накопитель С1, после чего низковольтный коммутатор НК подключает накопитель С1 к первичной обмотке резонансного импульсного трансформатора ТР. Высокое напряжение с вторичной обмотки этого трансформатора за несколько микросекунд заряжает формирующую линию C2 до напряжения срабатывания высоковольтного коммутатора ВК, который подключает формирующую линию к нагрузке рентгеновской трубке РТ, формируя таким образом высоковольтный импульс наносекундной длительности. Дроссель ДР предотвращает появление предымпульса на участке цепи ВК-РТ во время зарядки формирующей линии С2. Предымпульс обусловлен наличием емкостного делителя напряжения, образованного собственными емкостями разрядника и трубки. Величина индуктивности дросселя ДР выбрана такой, чтобы при микросекундной зарядке формирующей линии потенциал участка ВК-РТ поддерживался равным потенциалу корпуса рентгенаппарата. В наносекундном диапазоне дроссель ДР имеет высокое сопротивление и поэтому не влияет на работу устройств после срабатывания коммутатора ВК.

Для переключения в режим максимального напряжения на рентгеновской трубке, т.е. для установки зазора S2, необходимо встряхнуть рентгенаппарат в осевом направлении. При этом сила инерции отрывает инерционный груз 9 от стальной шайбы 11 фиксирующего устройства и перемещает его вместе с подвижной частью электрода 8 вдоль оси разрядника до тех пор, пока он не достигнет противоположной шайбы 10 и не зафиксируется в новом положении. Немагнитные прокладки 12 и 13 препятствуют залипанию инерционного груза. Для обратного переключения достаточно встряхнуть или слегка ударить рентгенаппарат так, чтобы инерционный груз возвратился в прежнее положение. Сила удара, необходимая для переключения, обусловлена намагниченностью постоянного магнита, его массой вместе с подвижной частью электрода 8, а также толщиной немагнитных прокладок 12 и 13 и выбирается достаточной для того, чтобы предотвратить самопроизвольное переключение при транспортировке, с одной стороны, но и безопасной для других частей аппарата с другой. Амортизаторы 2 позволяют переключать напряжение на рентгеновской трубке легким ударом корпуса рентгенаппарата о твердую ровную поверхность. Одновременно они предохраняют корпус от повреждений при транспортировке. Установка величины рабочего зазора S2 и требуемого изменения этого зазора ΔS осуществляется перемещением шайб 10 и 11 фиксирующего устройства.

Отличие работы варианта, представленного на фиг.3, заключается лишь в том, что в положении максимального зазора S2 подвижная часть электрода 8 с ее рабочей поверхностью полностью вдвигается внутрь его неподвижной части 7. Таким образом, при различных напряжениях у электрода 7 работают разные рабочие поверхности, а у противоположного электрода 6 разные участки рабочей поверхности. Это уменьшает изменение рабочего зазора, вызванного износом электродов, на изменение напряжения в процессе эксплуатации.

Работоспособность устройства была проверена и испытана на специально разработанном образце малогабаритного импульсного рентгенаппарата с переключением напряжения на трубке в диапазоне 160/90 кВ. Этот аппарат, предназначенный для оперативного рентгенографического контроля предметов неизвестного происхождения, был выполнен в виде моноблока с встроенной системой управления, преобразователем напряжения и компактной аккумуляторной батареей (12 В, 4 А/ч). Масса аппарата вместе с батареей составляла 8 кг, с сетевым источником питания 6,8 кг. Высоковольтный разрядник диаметром 74 мм и длиной 100 мм был заполнен азотом под давлением 40 атм. В этих условиях требуемые величины рабочего промежутка составили S1= 2 и S2=3 мм, т.е. необходимое изменение зазора было ΔS 1 мм, поэтому была использована конструкция, представленная на фиг.3. Она оказалась более простой в настройке, так как требуется точная установка только одного из фиксаторов.

Резиновые кольца-амортизаторы на торцах корпуса рентгенаппарата обеспечивают быстрое и удобное переключение зазора. Для надежного переключения было достаточно легкого удара корпуса одним из амортизаторов о твердую поверхность (стол, стену и т. п.). Практика работы с аппаратом показала, что обеспечиваемая надежность фиксации делает ненужным внешний индикатор положения подвижного электрода. Такой бесконтактный индикатор был также разработан, однако оказалось, что перед использованием аппарата после длительной транспортировки гораздо проще и надежнее произвести контрольную установку необходимого напряжения, чем проверять показания индикатора.

Надежность переключения, за которую при испытаниях была принята необходимая высота падения блока для срабатывания инерционного механизма, оставалась неизменной после наработки в течение 10⁶ импульсов, что ориентировочно соответствовало 10 000 рентгенограммам. Мелкая немагнитная пыль, образующаяся при износе электродов, осаждалась на поверхности изоляторов и не вызывала заедания устройства. Вибрация и радиальные удары не приводили к самопроизвольному переключению. Само же усилие переключения оказалось легко регулируемым путем изменения толщины немагнитных шайб фиксирующего устройства.

Вариант предлагаемого рентгенаппарата, оборудованного встроенной аккумуляторной батареей, был испытан совместно с рентгеновским фотокомплексом с сухим фотохимическим процессом завода "Славич". Время получения двух готовых рентгенограмм, снятых с различной энергией излучения, вместе с проявлением не превышало 10 мин, электропитания при этом не требовалось.

Малогабаритный импульсный рентгеновский аппарат, содержащий трубку с холодным катодом и импульсный источник высокого напряжения, состоящий из преобразователя, первичного накопителя энергии с низковольтным коммутатором, импульсного трансформатора, вторичного накопителя и высоковольтного газоразрядного коммутатора, размещенных в общем корпусе, высоковольтный коммутатор выполнен в виде двухэлектродного газового разрядника с изменяющимся зазором, для чего один из электродов состоит из максимально расположенных неподвижной и подвижной частей, при этом подвижная часть электрода жестко соединена с инерционным грузом и имеет возможность перемещаться вдоль оси разрядника, удерживаясь в крайних положениях фиксирующим устройством. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Малогабаритный импульсный рентгеновский аппарат, содержащий рентгеновскую трубку с холодным катодом и импульсный источник высокого напряжения, состоящий из преобразователя, первичного накопителя энергии с низковольтным коммутатором, импульсного трансформатора, вторичного накопителя и высоковольтного газоразрядного коммутатора, размещенных в общем корпусе, отличающийся тем, что высоковольтный коммутатор выполнен в виде двухэлектродного газового разрядника с изменяющимся зазором, для чего один из электродов состоит из коаксиально расположенных неподвижной и подвижной частей, при этом подвижная часть электрода жестко соединена с инерционным грузом и имеет возможность перемещаться вдоль оси разрядника, удерживаясь в крайних положениям фиксирующим устройством. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что неподвижная и подвижная части электрода изготовлены из немагнитного материала, рабочая поверхность расположена на подвижной части, а фиксирующее устройство выполнено в виде постоянного магнита, служащего одновременно инерционным грузом, и двух жестко закрепленных на неподвижной части электрода стальных шайб с расположенными со стороны постоянного магнита немагнитными прокладками, причем расстояние между шайбами установлено таким, что обеспечивает перемещение подвижной части электрода на величину изменения рабочего зазора разрядника. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что неподвижная и подвижная части электрода изготовлены из немагнитного материала и имеют собственные рабочие поверхности, а фиксирующее устройство выполнено в виде постоянного магнита, служащего одновременно инерционным грузом, и двух жестко закрепленных на неподвижной части электрода стальных шайб с расположенными со стороны постоянного магнита немагнитными прокладками, причем расстояние между шайбами установлено таким, что обеспечивает перемещение подвижной части электрода на величину больше величины изменения рабочего зазора, а одно из крайних положений подвижной части электрода установлено таким образом, что рабочая поверхность этой части электрода выступает внутрь рабочего зазора разрядника на величину изменения рабочего зазора разрядника. 4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что на противоположных по оси разрядника сторонах корпуса рентгеновского аппарата установлены амортизаторы, например, в виде резиновых колец.