РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА Российский патент 2000 года по МПК H01J35/20 H01J17/20 

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

Обычно рентгеновские трубки (РТ) состоят из запаянного стеклянного, керамического или металлокерамического баллона с разрежением (вакуумом) не более 1,3•10^-4 - 6,6•10^-5 Па (1•10^-6 - 5•10^-7 мм рт. ст.) с закрепленными внутри баллона на фиксированном расстоянии друг от друга катодным и анодным узлами [Рентгенотехника. Справочник. т. 1 М., Машиностроение, 1980 - 432 с.] . Баллон одновременно является корпусом РТ. В РТ с накаливаемым катодом последний изготавливают в виде спирали из вольфрамовой проволоки, размещенной в специальном фокусирующем цилиндре. Недостатком таких РТ является низкий, по сравнению с током эмиссии катода, выход анодного тока в рабочем диапазоне ускоряющих напряжений по причине ограничения анодного тока объемным зарядом электронов, эмитируемых катодом. Ограничение анодного тока приводит к ограничению интенсивности рентгеновского излучения.

Известна рентгеновская трубка (см. заявку ФРГ N 4430622, оп. 07.03.96, МКИ⁶ H 01 J 35/14), в которой между анодом и катодом в вакууме размещен дополнительный анод. Длина анода, имеющего форму цилиндра, равна диаметру отверстия в нем. На дополнительный анод подается положительный потенциал 5-20 кВ от отдельного источника питания. Приближение дополнительного анода к катоду приводит к увеличению выхода анодного тока РТ и повышению интенсивности рентгеновского излучения. Однако недостатком такой трубки является наличие дополнительного источника питания второго анода и дополнительного электрического ввода для него. Необходимость обеспечения электрической прочности между электродами в вакууме увеличивает размеры РТ. Такая трубка сложна в изготовлении.

Известна также РТ (см. заявку ФРГ N 4026299, оп. 27.02.97 г., МКИ⁶ H 01 J 35/14), в которой катод изготавливают удлиненной формы. Между катодом и анодом (также удлиненной формы) в вакууме располагают ускоряющую сетку (находится под положительным потенциалом) в форме рамки. Сетка может иметь несколько отверстий щелевой формы. Приближение ускоряющей сетки к катоду приводит к увеличению выхода анодного тока РТ и повышению интенсивности рентгеновского излучения. Недостатком является необходимость использования анода удлиненной формы, что ограничивает область применения таких РТ, например, для широких анодов. Кроме того, как и в предыдущем аналоге, необходимость обеспечения электрической прочности между электродами в вакууме увеличивает размеры РТ. Такая РТ сложна в изготовлении.

Задачей настоящего изобретения является упрощение изготовления РТ, обладающей высоким выходом анодного тока, равным току эмиссии катода, в существующем интервале рабочих напряжений рентгеновских трубок.

Согласно изобретению задача решается тем, что в рентгеновской трубке, включающей катод и анод, рабочий объем трубки заполнен инертным по отношению к материалу катода газом до давления (0,001 - 0,5) P, где давление P выбрано из левой ветви кривой Пашена по максимальному значению анодного напряжения и расстоянию катод - анод рентгеновской трубки.

Отличием предлагаемого изобретения от прототипа является наличие в объеме РТ газовой среды при вышеуказанном давлении.

Известно, что интенсивность рентгеновского излучения, генерируемого в РТ при анодном напряжении U_a, прямо пропорциональна величине протекающего анодного тока. Теоретическая статическая анодная характеристика РТ с плоскими электродами - катодом и анодом, представляющая зависимость анодного тока от постоянного анодного напряжения при различных неизменных значениях тока накала, состоит из восходящего участка и участка насыщения, где ток ограничен эмиссионным током катода I_s. Зависимость анодного тока I_a от напряжения U_a на восходящем участке характеристики (в режиме ограничения тока объемным зарядом) выражается "законом трех вторых":
I_a = B • U_a ^3/2, (1)
где B = 2,3•10^-6•S_эф.ан/d_a-k ² - безразмерная константа, зависящая только от формы, размеров и взаимного расположения электродов (от температуры катода и его материала B не зависит);
S_эф.ан - эффективная площадь анода (фокусная проекция катода на анод РТ);
d_a-k - расстояние анод - катод.

В соответствии с законом "трех вторых" единственным путем повышения выхода анодного тока на восходящем участке (при сохранении размеров фокусного пятна S_эф.ан) является уменьшение расстояния d_a-k. Но это уменьшение ограничено электрической прочностью вакуумного промежутка. В результате интенсивность генерируемого рентгеновского излучения при данном анодном напряжении U_a определяется током I_a, который меньше возможного тока эмиссии катода, и не может быть повышена. Известно, что нейтрализовать действие отрицательного объемного заряда электронов можно положительными ионами (используется в термоэлектрических преобразователях - ТЭП). Автором предложено использовать для нейтрализации отрицательного объемного заряда электронов в РТ ионы, полученные не из атомов металла, являющегося проводником электрического тока, а из атомов (молекул) изолятора - газа. Поскольку катод разогрет до высоких температур, во избежание химического взаимодействия газ должен быть нейтральным по отношению к материалу катода, чтобы обеспечить его длительную работу. Плотность пространственного электронного заряда связана с плотностью электронного тока и скоростью электронов соотношением
q_e = e • n_e = J_e/C_e, (2)
где q_e - плотность объемного пространственного заряда электронов;
e - заряд электрона;
n_e - концентрация электронов в межэлектродном промежутке;
J_e - плотность электронного тока;
C_e - скорость перемещения электронов под действием электрического поля.

Аналогичное соотношение можно записать и для плотности ионного пространственного заряда:
q_i = J_i/C_i, (3)
где J_i - плотность ионного тока;
C_i - скорость движения иона под действием электрического поля.

В случае полной компенсации электронного заряда ионным зарядом должно быть q_i = q_e или
J_i = (C_i/C_e) • J_e. (4)
Скорости ионов и электронов при движении в электрическом поле обратно пропорциональны корням квадратным из их масс m_i, и m_e, откуда
J_i = J_e • (m_e/m_i)^0,5. (5)
Ионы образуются потоком электронов от катода, и с учетом огромного различия в их скоростях поток ионов можно представить как объемную точечную положительно заряженную сетку, медленно дрейфующую по направлению к катоду. Для остаточных газов воздуха (m_e/m_i)^0,5 ≈ 0,004, и для компенсации объемного заряда электронов требуется в 250 раз меньший ионный ток. Для газов с большими молекулярными массами согласно (5) компенсирующий ионный ток будет еще меньше. Требуемый для полной компенсации отрицательного объемного заряда электронов ионный ток уменьшается на величину анодного тока РТ в соответствии с "законом трех вторых". В связи с изложенным автор предлагает для компенсации отрицательного объемного заряда электронов в РТ (с целью увеличения выхода анодного тока) заполнить вакуумируемый объем инертным по отношению к материалу катода газом, ионизация которого потоком электронов создаст требуемый для компенсации ионный ток. Максимальное давление газа в РТ определяют следующим образом. 1) С учетом максимальной величины анодного напряжения U_макс из левой ветви кривой Пашена получают величину произведения (P•d_a-k), где d_a-k - расстояние анод - катод. 2) При заданном d_a-k определяют Р. 3) С целью предотвращения возникновения разряда из-за повышения давления газа внутри объема РТ за счет нагревания (в соответствии с законом Гей-Люссака) вводится коэффициент снижения давления, равный 0,001 - 0,5. Распыление материала спирали за счет бомбардировки ее ионами инертного по отношению к материалу спирали газа в данном решении невелико за счет отжига дефектов металла при высоких температурах. В результате отжига повреждения кристаллической решетки материала спирали, производимые падающим ионом, восстанавливаются, прежде чем новый ион попадет в то место, куда попал первый ион. Дополнительным преимуществом предлагаемого решения является следующее. При работе РТ в импульсных режимах, когда катод заперт, его температура начинает повышаться (из-за резкого снижения "испарения" электронов термоэмиссии). При работе в высоком вакууме (10^-6 - 10^-7 мм рт. ст.), что обычно для существующих РТ, теплообмен излучением становится недостаточным (катод находится в специальном фокусирующем стакане, стенки которого имеют зеркальное отражение), температура катода возрастает и из-за повышенного термического испарения снижается срок службы W спирали катода. Предлагаемое автором решение позволяет использовать механизм конвективного теплообмена при помощи молекул газа между нагретым катодом и окружающими деталями в заявляемой РТ, что повысит срок его службы. Данный механизм теплообмена (конвективный теплообмен) применим и к аноду, температура которого в интенсивных режимах нагружения может превышать 1500^oC. Более интенсивное охлаждение анода позволит продлить срок его службы при существующих нагрузках или повысить нагрузку без изменения срока службы. Предлагаемое решение позволяет упростить технологию изготовления РТ с достижением высокого выхода анодного тока за счет создания потока положительных ионов инертного по отношению к материалу катода газа, которым заполнен объем РТ. Требуемая плотность ионного тока обеспечивается ионизирующим взаимодействием потока электронов, движущихся к аноду, с молекулами газа, заполняющего РТ под давлением (0,001 - 0,5)P, где P определяют с учетом максимальной величины анодного напряжения U_макс из левой ветви кривой Пашена и заданного расстояния анод - катод d_a-k.

Конструкция данной рентгеновской трубки в связи с ее простотой на чертеже не показана.

Для проверки предлагаемого решения были изготовлены две металлокерамические рентгеновские трубки для маммографии типа РТМ-50. Максимальное анодное напряжение составляло 50 кВ, расстояние катод - анод равнялось d_a-k = 2,0 см. В первой трубке (контрольной) при остаточном давлении воздуха 2,6•10^-4 Па (2•10^-6 мм рт.ст.) анодные характеристики соответствовали закону "трех вторых" с коэффициентом B = 1•10^-9 и не были превышены даже при максимальном токе накала катода. Во второй трубке после откачки и обезгаживания при давлении 2•10^-7 мм рт. ст. перед герметизацией (отпайкой) была проведена операция заполнения РТ аргоном до давления:
1) для аргона при U_a = 50 кВ из кривой Пашена величина произведения P•d_a-k = 0,09 мм рт. ст. • см, откуда P = 0,09 : 2 = 0,045 мм рт.ст.

2) Давление заполнения аргоном с учетом коэффициента 0,01 составило:
P заполнения = 0,01•0,045 = 4,5•10^-4 мм рт.ст. (0,06 Па).

При давлении 0,06 Па (4,5•10^-4 мм рт.ст.) анодный ток трубки (катод представлял собой вольфрамовую нить диаметром 0,2 мм и длиной 70 мм, намотанную в виде спирали с наружным диаметром 0,8 мм) возрос примерно в 10-15 раз по сравнению с током первой трубки (контрольной) в том же диапазоне ускоряющих напряжений. Размеры фокусных пятен соответствовали расчетным значениям. Проведенная проверка испытаний на безотказность по ГОСТ 8490 при работе трубки в масле в трехфазной схеме с заземленной средней точкой по методике ГОСТ 22091.0, ГОСТ 22091.5 сериями по 10 включений с длительностью включений 4 сек, перерыв 40 сек, перерыв между сериями 15 мин на номинальной мощности 1,8-2,4 кВт (U_a = 30 кВ, I_a = 60 - 80 мА) показало, что РТ выдержала 1000 включений без изменения дозы рентгеновского излучения.

Предлагается конструкция рентгеновской трубки с высоким выходом анодного тока в заданном диапазоне рабочих напряжений. Повышение выхода анодного тока достигается за счет нейтрализации отрицательного объемного заряда электронов, эмитируемых катодом, положительными ионами инертного по отношению к материалу катода газа. Положительные ионы создаются в пространстве катод - анод рентгеновской трубки за счет ионизирующего взаимодействия потока электронов с молекулами газа на пути от катода к аноду. Трубка включает анод и катод, расположенные в рабочем объеме, который заполнен инертным по отношению к материалу катода газом до давления, равного (0,001-0,5)Р, где давление Р выбрано из левой ветви кривой Пашена по максимальному значению анодного напряжения и расстоянию катод - анод рентгеновской трубки. Преимуществами предлагаемой конструкции кроме высокого выхода анодного тока являются простота изготовления, возможность повышения срока службы катода и анода за счет механизма конвективного охлаждения в разреженном газе, что особенно важно при работе в импульсных режимах.

Рентгеновская трубка, включающая катод и анод, расположенные в рабочем объеме, отличающаяся тем, что рабочий объем заполнен инертным по отношению к материалу катода газом до давления, равного (0,001 ^oC 0,5)Р, где давление Р выбрано из левой ветви кривой Пашена по максимальному значению анодного напряжения и расстоянию катод - анод рентгеновской трубки.