РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА Российский патент 1999 года по МПК H01J35/08 H01J35/14 

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано в медицине, дефектоскопии, охранных системах, а также в научных исследованиях.

Известны рентгеновские трубки (РТ) включающие источник электронов - катод, источник рентгеновского излучения - неподвижный анод и вакуумно-плотный корпус (см. , например, книгу Ф.Н. Хараджи "Общий курс рентгенотехники", М. -Л. , Энергия, 1966, с. 162-185). Интенсивность рентгеновского излучения таких трубок определяется допустимой тепловой нагрузкой на анод, которая не превышает нескольких киловатт при экспозиции длительностью (0,1-5) сек (см., например, книгу Ю.Д. Денискина и Ю.А. Чижуновой "Медицинские рентгеновские трубки и излучатели", М., Энергоатомиздат, 1984, с. 184-186). Повышение тепловой нагрузки, а следовательно и интенсивности рентгеновского излучения ограничено недопустимым ростом температуры материала анода в фокусном пятне.

Известны также рентгеновские трубки с вращающимся анодом (см., например, книгу Ф. Н. Хараджи "Общий курс рентгенотехники", М.-Л., Энергия, 1966, с. 188-192). Аноды таких трубок выдерживают нагрузку на уровне 100 кВт при экспозиции продолжительностью в (0,1-1) сек (см., например, книгу Ю.Д. Денискина и Ю. А. Чижуновой "Медицинские рентгеновские трубки и излучатели", М., Энергоатомиздат, 1984, с. 186-203). Это достигается тем, что при вращении анода нагрузка распределяется по фокусной дорожке, площадь которой в сотни раз превосходит площадь фокусного пятна. Дальнейшее увеличение тепловой нагрузки в РТ с вращающимся анодом сдерживается дополнительным, более жестким ограничением на среднемассовую рабочую температуру анода, так как последний эксплуатируется в условиях напряженного состояния, вызванного центробежными силами. Например, для M₀ предельной принята температура рекристаллизации (≈ 1800^oC), при которой происходит резкое снижение его кратковременной механической прочности и сопротивления ползучести. Использование структурно-стабильных материалов (см. патент России N 2029408 по классу 6 H 01 J 35/10, 1977 г.), таких как монокристаллический молибден и его сплавы позволяют повысить среднемассовую рабочую температуру анода до (1900-2000)^oC и соответственно увеличить тепловую нагрузку. Однако дальнейший рост температуры анода приводит к недопустимым деформациям ползучести анода, а одновременное увеличение температуры фокусной дорожки вызывает неприемлемые скорости испарения материала рабочей поверхности.

Таким образом, достигнутые среднемассовые рабочие температуры анода в действующих РТ с неподвижным и вращающимся анодом являются основным ограничивающим фактором дальнейшего увеличения интенсивности рентгеновского излучения.

Задачей настоящего изобретения является увеличение интенсивности рентгеновского излучения РТ без увеличения тепловой нагрузки на анод.

Указанная задача решается тем, что в рентгеновской трубке, включающей катод с электронно-оптической системой, анод, по меньшей мере часть которого со стороны катода выполнена из тугоплавкого монокристаллического материала, например, вольфрама, между катодом и анодом расположено отклоняющее электроны электростатическое устройство, в части анода, противостоящей катоду, толщиной не менее длины деканалирования электронов в материале, одна из систем кристаллографических плоскостей или атомных цепочек ориентирована параллельно направлению движения пучка электронов с точностью до 0,5^o, пучок электронов сформирован электронно-оптической системой с расходимостью не более 0,1^o, а напряжение выбрано не ниже 100 кВ.

Совокупность указанных отличительных признаков РТ позволяет реализовать в материале анода эффект каналирования электронов и, соответственно, увеличить интенсивность рентгеновского излучения. Действительно, при движении электронов параллельно кристаллографической плоскости или атомной цепочке монокристалла они, как известно (см. , например, книгу М. А. Кумахова "Излучение каналированных частиц в кристаллах", М., Энергоатомиздат, 1986, с. 16-18), захватываются в так называемые каналы, поперечные размеры которых составляют доли ангстрема, что значительно меньше параметра кристаллической решетки. В результате этого траектории электронов располагаются гораздо ближе к атомным ядрам, чем в отсутствие каналирования. При этих условиях увеличивается вероятность близких (с прицельным расстоянием ≈ 5 • 10^-12 см и менее) столкновений электронов с ядрами атомов при которых тормозное излучение генерируется в рентгеновском диапазоне спектра.

Проведенные расчеты показали, что интенсивность излучения электронов с энергией 100 кэВ, движущихся в вольфраме вдоль направления <111> возрастает до (10-15) раз.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором приведен конкретный пример выполнения РТ с неподвижным анодом.

Рентгеновская трубка имеет: 1 - выпускное окно, 2 - анод, часть которого, противостоящая катоду, толщиной не менее длины деканалирования электронов в материале, выполнена с ориентацией одной из систем кристаллографических плоскостей или атомных цепочек параллельно направлению движения пучка электронов, 3 - отклоняющее электростатическое устройство, ориентирующее пучок электронов вдоль одной из систем кристаллографических плоскостей или атомных цепочек материала анода, 4 - катод с электронно-оптической системой, формирующей электронный пучок с заданной расходимостью, 5 - держатель катода, 6 - металлокерамический корпус, 7 - изолятор, 8 - высоковольтный ввод.

Проведенные расчеты электростатических потенциалов внутри кристаллических решеток показывают, что потенциал для электрона в решетке металлических ионов начинает заметно убывать при приближении к ядру на расстояние ≈ 0,1•а, где а - постоянная решетки. При этом понижение энергии электрона составляет ≈ 10 эВ. Кинетическая энергия электрона Ek при движении по каналу имеет две составляющие:

где v_par - скорость электрона вдоль канала, направленная параллельно цепочки атомов, v_per - скорость электрона в поперечном направлении. Естественно, что локализация электронов в поперечном направлении наступает при условии, когда ≤ 10 эВ. При этом отклонение траектории движения электронов по отношению к выведенным на поверхность анода кристаллографическим плоскостям или атомным цепочкам может быть найдено из следующего приближенного соотношения

При напряжении на трубке 100 кВ и выше угол
Доля захваченных в режим каналирования электронов зависит от начального угла влета (β) электронов в канал. От угла β также зависит и интенсивность рентгеновского излучения. Проведенные расчеты показали, что интенсивность рентгеновского излучения резко падает, когда в канал захватывается меньше 40% падающих на анод электронов. В частности, для направления <111> в вольфраме такое количество электронов захватывается в канал при отношении β/α ≈ 0,2 (см. , например, книгу М.А. Кумахова "Излучение каналированных частиц в кристаллах", М., Энергоатомиздат, 1986, с. 63). Следовательно, угол влета электронов в канал должен быть равен β ≈ 0,2•α = 0,2•0,5 = 0,1^°. Такой угол влета электронов в канале будет обеспечен, если расходимость пучка не будет превышать 0,1^o.

При движении по каналу электрон излучает энергию. Длина, на которой происходит излучение, называется длиной деканалирования электронов, которая пропорциональна энергии падающего электрона (см., например, книгу М.А. Кумахова "Излучение каналированных частиц в кристаллах", М., Энергоатомиздат, 1986, с. 68). Для энергий от 100 кэВ и выше для вольфрама длина деканалирования возрастает от несколько сот нанометров до нескольких десятков микрометров.

Окончательная настройка рентгеновской трубки на максимальный выход рентгеновского излучения осуществляется с помощью отклоняющего устройства перед вводом трубки в эксплуатацию.

Использование: в медицине, дефектоскопии, охранных системаx. Рентгеновская трубка (РТ) содержит катод с электронно-оптической системой, анод, по меньшей мере часть которого со стороны катода выполнена из тугоплавкого монокристаллического материала, например вольфрама. Между катодом и анодом расположено отклоняющее электроны электростатическое устройство. Эта часть анода имеет толщину не менее длины деканалирования электронов в материале. Одна из систем кристаллографических плоскостей или атомных цепочек в объеме монокристаллического материала анода ориентирована параллельно направлению движения пучка электронов с точностью до 0,5^o. Пучок электронов сформирован электронно-оптической системой с расходимостью не более 0,1^o при напряжении не ниже 100 кВ. Технический результат заключается в увеличении интенсивности рентгеновского излучения РТ без увеличения тепловой нагрузки на анод. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Рентгеновская трубка, включающая катод с электронно-оптической системой, анод, по меньшей мере часть которого со стороны катода выполнена из тугоплавкого монокристаллического материала, отличающаяся тем, что между катодом и анодом расположено отклоняющее электроны электростатическое устройство, в части анода со стороны катода толщиной не менее длины деканалирования электронов в его материале одна из систем кристаллографических плоскостей или атомных цепочек в объеме монокристаллического материала ориентирована параллельно направлению движения пучка электронов с точностью до 0,5 град. , пучок электронов сформирован с расходимостью не более 0,1 град. при напряжении не ниже 100 кВ. 2. Рентгеновская трубка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве тугоплавкого монокристаллического материала использован вольфрам.