ИМПУЛЬСНАЯ ТРУБКА Российский патент 2000 года по МПК H01J3/02 H01J35/06 H01J37/73 H01J1/304 H01J9/02 

Изобретение относится к области электровакуумной техники, сильноточной электроники и ускорительной техники, в частности к источникам электронного и рентгеновского излучения с взрывоэмиссионными катодами, которые могут применяться при научных исследованиях в области радиационных физики и химии, радиобиологии, а также в радиационных технологиях, например в химической промышленности, медицине и др.

Известна двухэлектродная импульсная трубка, содержащая вакуумную камеру, анод и закрепленный на изоляторе взрывоэмиссионный катод с электронными эмиттерами - острийными инициаторами катодной плазмы: С.А. Коренев, "Взрывоэмиссионный диод", а. с. N 1438511, кл. Н 01 J 1/30, Н 05 Н 5/00, опубл. в БИ N 22, 1995 г. Катод состоит из катодной ножки, контактного электрода, диэлектрической вставки, контактных площадок и прикрепленных к ним острийных инициаторов катодной плазмы. Последние представляют собой Г-образные медные проволочки диаметром 0,5 мм, приваренные контактной точечной сваркой к контактным площадкам. Недостатком известного устройства являются сложность конструкции взрывоэмиссионного катода, снижающая надежность при эксплуатации, и недостаточный для радиационных технологий ресурс.

Наиболее близкой к заявляемой является импульсная трубка, используемая для промышленных моделей малогабаритных импульсных генераторов наносекундных вспышек рентгеновского и электронного излучения: Э.Г. Александрович и др., "Малогабаритная импульсная рентгеновская трубка с самовосстанавливающимся автокатодом", Сборник научных трудов ядерных центров России N 5 под ред. Н. Г. Макеева "Физика и техника импульсных источников ионизирующих излучений для исследования быстропротекающих процессов", Саров, 1996 г., стр. 250-253, рис. 1.

Импульсная трубка по прототипу содержит вакуумированный корпус, анод и закрепленный на изоляторе взрывоэмиссионный катод с электронными эмиттерами на токопроводящей основе. Катод относится к лезвийному типу и выполнен в виде одного или нескольких свернутых из фольги полых цилиндров, одним торцом обращенных к аноду, а другим прикрепленных к токопроводящей основе с помощью точечной сварки.

Недостатками импульсной трубки по прототипу являются ограничение площади облучения из-за малой площади эмиттирующей поверхности катода, неоднородность поля излучения, недостаточный ресурс из-за крайней неравномерности плотности тока на аноде, а также конструкция, предусматривающая использование сварки для закрепления на основе электронных эмиттеров.

При создании данного изобретения решалась задача по разработке импульсной трубки для радиационных технологий - источника электронного или рентгеновского излучения с однородным пятном облучения увеличенной площади, имеющей повышенный ресурс.

Техническим результатом при решении данной задачи является получение равномерной плотности тока на аноде для случая электронного излучения и равномерного распределения дозы по пятну вблизи окна для случая рентгеновского излучения, увеличение размера поля облучения, а также повышение ресурса трубки и упрощение конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известной импульсной трубкой, содержащей вакуумированный корпус, анод и закрепленный на изоляторе взрывоэмиссионный катод с электронными эмиттерами на токопроводящей основе, новым является то, что электронные эмиттеры выполнены в виде идентичных пластинчатых выступов путем их неполной вырубки и отгиба из материала основы. Пластинчатые выступы имеют трапециевидную, треугольную или полукруглую форму.

Пластинчатые выступы катода заявляемой импульсной трубки являются электронными эмиттерами лезвийного типа. Они строго идентичны согласно конструкции и технологии изготовления, использующей штамповку. Это приводит к идентичным условиям протекания автоэмиссионного тока и взрыва микроострий на эмиттерах. Распределенные по площади катода идентичные эмиттеры обеспечивают равномерную по катоду эмиссию электронов и равномерное распределение плотности тока на аноде, что в свою очередь приводит к однородности поля электронного или рентгеновского излучения импульсной трубки. Ресурс трубки возрастает за счет равномерности эрозии катода и анода.

Эмиттеры составляют единое целое с основой, что приводит к упрощению конструкции катода и трубки и повышению надежности.

Конструкция катода заявляемой импульсной трубки позволяет увеличить площадь токопроводящей основы и число эмиттеров на ней, что приведет к увеличению площади облучения вблизи окна, а значит, к расширению номенклатуры облучаемых объектов. Уменьшение плотности тока на аноде способствует повышению ресурса трубки.

Если стоит задача достижения большой площади облучения, существенным становится то, что неполная вырубка эмиттеров из материала основы путем штамповки и отгиба их менее трудоемка, чем изготовление и закрепление на основе отдельных эмиттеров в виде цилиндрических фольговых лезвий, прикрепляемых к основе с помощью точечной сварки. Это означает упрощение конструкции взрывоэмиссионного катода, а следовательно, импульсной трубки в целом.

На фиг. 1 изображена заявляемая импульсная трубка (вариант рентгеновской трубки).

На фиг. 2, 3, 4 изображены фрагменты взрывоэмиссионного катода с электронными эмиттерами соответственно трапециевидной, треугольной и полукруглой формы.

Импульсная трубка содержит вакуумированный корпус 1, анод (мишень) 2 и закрепленный на изоляторе 3 взрывоэмиссионный катод 4 с электронными эмиттерами 5 на токопроводящей основе 6. Электронные эмиттеры 5 выполнены в виде идентичных пластинчатых выступов путем неполной вырубки и отгиба из материала основы 6. Выступы имеют треугольную, трапециевидную или полукруглую форму.

Работает импульсная трубка следующим образом. При подаче на электроды трубки импульса напряжения с крутым фронтом происходит взрывообразное тепловое разрушение микроострий, которые всегда имеются на эмиттерах, автоэмиссионным током. Катодные факелы расширяются, плотная плазма движется к аноду, и ток возрастает за счет эмиссии электронов из фронта катодных факелов. Если анодом трубки является тонкое окно из легкоатомного материала (например, бериллия или титана), то в атмосферу выпускается электронный пучок. Если анод является комбинированным, состоящим из мишени (материал с большим атомным номером, например тантал или вольфрам) и окна, обеспечивающего герметичность и задерживающего прошедшие мишень электроны, то трубка является источником рентгеновского излучения.

Пример конкретного выполнения. Изготовлена импульсная рентгеновская трубка для использования ее в рентгеновском облучателе крови. Ее катод крепится на стеклянном коническом изоляторе, он содержит основу из танталовой фольги толщиной 50 мкм, диаметром 110 мм, на которой расположены эмиттеры в виде пластинчатых выступов треугольной формы с размером основания 3 мм и высотой 3 мм. Плотность размещения эмиттеров около 3 см^-2. Мишенью служит фольга из тантала толщиной 20 мкм. Окно диаметром 140 мм выполнено из титана толщиной 0,3 мм. Корпус трубки металлический. Давление остаточных газов не выше 10^-5 Top. При подключении трубки к генератору Маркса с емкостью разрядного контура 400 пФ и амплитуде напряжения на ее электродах 350 кВ доза в центре рентгеновского пятна размером 120 мм вблизи выходного окна составила 4 сГр, а на краю - 2 сГр.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемая импульсная трубка обладает увеличенной площадью облучения вблизи окна: в прототипе 3 см², в заявляемой трубке около 100 см² то есть больше, чем в 30 раз. Равномерность пятна излучения в заявляемой трубке выше, чем в прототипе: доза в центре рентгеновского пятна заявляемой трубки не более чем в два раза выше дозы на краю, а в прототипе центральная доза в десятки раз больше периферийной. Конструкция заявляемой трубки, по оценкам, по крайней мере на два порядка увеличивает ее ресурс по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к источникам электронного и рентгеновского излучений, которые могут применяться при исследованиях в области радиационных физики и химии, радиобиологии, а также в радиационных технологиях, например в химической промышленности, медицине и др. Техническим результатом при создании данного изобретения является получение однородного пятна излучения большой площади, повышение ресурса трубки и упрощение конструкции. Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известной импульсной трубкой, содержащей вакуумированный корпус, анод и закрепленный на изоляторе взрывоэмиссионный катод с электронными эмиттерами на токопроводящей основе, новым является то, что электронные эмиттеры выполнены в виде идентичных пластинчатых выступов путем их неполной вырубки и отгиба из материала основы. Электронные эмиттеры выполнены в виде пластинчатых выступов треугольной, полукруглой или трапециевидной формы. 1 з.п ф-лы, 4 ил.

1. Импульсная трубка, содержащая вакуумированный корпус, анод и закрепленный на изоляторе взрывоэмиссионный катод с электронными эмиттерами на токопроводящей основе, отличающаяся тем, что электронные эмиттеры выполнены в виде идентичных пластинчатых выступов путем неполной вырубки и отгиба их из материала основы. 2. Импульсная трубка по п.1, отличающаяся тем, что электронные эмиттеры выполнены в виде идентичных пластинчатых выступов треугольной, полукруглой или трапециевидной формы.