ИМПУЛЬСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА Российский патент 2000 года по МПК H01J35/00 H01J35/02 H05G1/02 

Изобретение относится к миниатюрным импульсным рентгеновским трубкам (диаметр 12 мм, длина 24 мм), предназначенным для использования в медицине при внутриполостных облучениях опухолевых тканей и в технике для рентгенографирования сложных механизмов и устройств при внутреннем размещении источника излучения.

Известны рентгеновские трубки, применяемые в радиационной онкологии [1, 2], работающие в статическом режиме.

Недостатком этих трубок являются использование в конструкции подогревного катода и необходимость системы охлаждения. Часто такие трубки содержат сложные конструктивные элементы для фокусировки электронных пучков. Это увеличивает габариты трубок.

Миниатюризация источника рентгеновского излучения и расширение области его применения возможны при использовании импульсных рентгеновских трубок с холодным катодом.

Известна отпаянная импульсная рентгеновская трубка [3], содержащая вакуумированный корпус из стекла, многоострийный автоэмиссионный катод и расположенный напротив него по оси трубки анод, имеющий форму конуса из тяжелого металла. Трубка работает при амплитуде импульса напряжения более 100 кВ длительностью порядка 10 нс.

К недостаткам, ограничивающим применение такой трубки, относятся сравнительно большие размеры (диаметр 25 мм, длина 140 мм), сложность сборки катода, состоящего из большого количества тонких острий, небольшой срок службы.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является импульсная рентгеновская трубка [4], содержащая металлический корпус с прострельной мишенью из металла с большим атомным номером и окном для вывода рентгеновского излучения, катод и внутренний изолирующий элемент из стекла в виде полого усеченного конуса, спаянного по основанию с корпусом. Мишень имеет плотный контакт с внутренней поверхностью окна и может деформироваться под действием атмосферного давления.

Среди недостатков этой трубки можно выделить ее высокий импеданс за счет больших геометрических размеров разрядного промежутка, что ограничивает электронный ток, а также сравнительно большие габариты трубки (диаметр 30 мм, длина 35 мм) и длительность импульса напряжения порядка 10 нс при амплитуде 150 кВ, что ограничивает ее применение для внутриполостных облучений в медицине.

Использование ультракоротких импульсов напряжения длительностью 1,5•10^-10 с открывает новые возможности в конструировании и миниатюризации рентгеновских трубок, так как при таких длительностях электрическая прочность диэлектриков возрастает в несколько раз по сравнению с наносекундными импульсами.

Решаемая задача - создание миниатюрной импульсной рентгеновской трубки на напряжение порядка 100 кВ длительностью 1,5•10^-10 с для использования в медицине при внутриполостных облучениях и в технике для рентгенографирования приборов и устройств при размещении источника излучения внутри изделия.

Технический результат - получение коротких импульсов (длительностью 1,5•10^-10 с) мягкого рентгеновского излучения с энергией квантов в диапазоне 30 - 100 кэВ с помощью миниатюрной импульсной рентгеновской трубки с низким импедансом.

Технический результат достигается тем, что в миниатюрной импульсной рентгеновской трубке, содержащей металлический корпус с прострельной мишенью и окном для вывода рентгеновского излучения, катод и внутренний изолирующий элемент, новым является то, что мишень прострельного типа отделена от окна и крепится во внутренней полости трубки с помощью двух цилиндрических колец, имеющих зуб и паз, соединенных с корпусом, так, что величина зазора между мишенью и катодом выполнена в пределах соотношений от 1:20 до 1:5 к наружному диаметру катода, а изолирующий элемент выполнен в виде стеклянного кольца.

Сущность изобретения состоит в том, что миниатюрная импульсная рентгеновская трубка, работающая при напряжениях амплитудой порядка 100 кВ длительностью 1,5•10^-10 с, сконструирована таким образом, что за счет выбранных соотношений между зазором катод - мишень и наружным диаметром катода достигается низкий импеданс трубки, обеспечивающий высокие амплитуды электронного тока в трубке (более 10 кА). При этом предусматривается фиксация зазора путем надежного соединения мишени с корпусом трубки с помощью двух цилиндрических колец, имеющих зуб и паз, и исключается изменение его величины в процессе эксплуатации благодаря разделению мишени и окна, при котором тонкая мишень не деформируется под воздействием атмосферного давления.

Рентгеновская трубка работает в режиме, близком к короткому замыканию.

Использование изолирующего элемента в виде диска с осевым отверстием уменьшает габариты импульсной рентгеновской трубки, что является важным для практического применения.

На чертеже схематически изображена предлагаемая миниатюрная импульсная рентгеновская трубка.

Трубка содержит катод 1, металлический корпус 2 с мишенью 3 и окном для вывода рентгеновского излучения 4, внутренний изолирующий элемент 5. Мишень 3 отделена от окна для вывода излучения 4 и крепится во внутренней полости трубки с помощью цилиндрических колец 6 и 7, имеющих зуб и паз соответственно, соединенных с корпусом 2 так, что величина зазора между мишенью 3 и катодом 1 выполнена в пределах соотношений от 1:20 до 1:5 к наружному диаметру катода, а изолирующий элемент 5 выполнен в виде кольца из стекла или керамики с впаянным высоковольтным вводом 8 и катодом 1.

Катод выполнен в виде полого цилиндра с наружным диаметром 1-4 мм из тонкой танталовой фольги. Мишенью служит диск из тантала толщиной 0,01 мм. Цилиндрические кольца типа "пялец" из нержавеющий стали, имеющих зуб и паз, осуществляют необходимое натяжение тонкой фольги мишени. Кольца свариваются друг с другом точенной сваркой и затем устанавливаются в корпусе трубки и свариваются с ним лазерной сваркой. Изолирующий элемент выполнен из стекла марки С52-1 и соединен вакуумплотно с корпусом и высоковольтным вводом. Высоковольтный ввод имеет осевое отверстие и штенгель 9 для откачки внутреннего объема трубки до давления остаточных газов порядка 1•10^-7 Тор.

Тонкое титановое окно для выхода рентгеновского излучения также герметично с помощью бленды 10 сварено с корпусом трубки. Корпус и соединенные с ним элементы конструкции (окно, мишень, кольца) являются анодом трубки и находятся под потенциалом земли. На катод подается импульс высокого напряжения отрицательной полярности.

Принцип работы предлагаемой миниатюрной импульсной рентгеновской трубки заключается в следующем.

При подаче на ускоряющий промежуток импульса высокого напряжения от генератора возникает разрядный электронный ток с катода 1. Электроны, ускоряясь в промежутке, попадают на мишень 3 и возбуждают рентгеновское излучение пикосекундной длительностью 1,5•10^-10 с.

Были созданы макетные образцы миниатюрных импульсных рентгеновских трубок с наружным диаметром 12 мм, длиной 24 мм, в которых величина зазора между мишенью и катодом, например, составляла 0,2; 0,3 и 0,4 мм при наружном диаметре катода 2 мм и 4 мм, что соответствует соотношениям этих величин в пределах от 1:20 до 1:5.

При подаче импульса ускоряющего напряжения амплитудой порядка 100 кВ длительностью 1,5•10^-10 с электронный ток в промежутке катод - мишень составляет более 10 кА, доза рентгеновского излучения у наружной поверхности выходного окна достигает 0,01 Гр за импульс.

Макет трубки выдержал сотни включений, что обеспечивает необходимую суммарную радиационную дозу при внутреннем облучении пациента или при съемках различных технических объектов в труднодоступных устройствах.

Источники информации
1. Dinsmore M. et. al. A new miniature x-ray source for interstitial radiosurgery: Device description // - Med. Phys. 23(1). 1996, p. 45.

2. Патент США N 5090043. Рентгеновская микротрубка и способ ее применения в радиационной онкологии, кл. МПК H 01 J 35/32.

3. "Ненакаливаемые катоды" под ред. М.И. Елинсона, М., "Советское радио", 1974, с. 260-269.

4. Э. -Г.В. Александрович, Н.В. Белкин, М.А. Канунов, А.А. Разин. Малогабаритная импульсная рентгеновская трубка с самовосстанавливающимся автокатодом // Сборник "Физика и техника импульсных источников ионизирующих излучений для исследования быстропротекающих процессов" под ред. Макеева Н.Г. - Саров, ВНИИЭФ, 1996, с. 251.

Изобретение относиться к миниатюрным импульсным рентгеновским трубкам (диаметр 12 мм, длина 24 мм), предназначенным для использования в медицине при внутриполостных облучениях опухолевых тканей и в технике для рентгенографирования сложных механизмов и устройств при внутреннем размещении источников излучения. Техническим результатом является получение коротких импульсов (длительностью порядка 1,5•10^-10 с) мягкого рентгеновского излучения с энергией квантов в диапазоне от 30 кэВ до 90 кэВ с помощью импульсной рентгеновской трубки с низким импедансом. Технический результат достигается за счет того, что в импульсной рентгеновской трубке, содержащей металлический корпус с прострельной мишенью и окном для вывода рентгеновского излучения, катод, внутренний изолирующий элемент, мишень отделена от окна и крепиться во внутренней полости трубки с помощью двух цилиндрических колец, имеющих зуб и паз так, что величина зазора между мишенью и катодом выполнена в пределах соотношений от 1:20 до 1:5 к наружному диаметру катода. Изолирующий элемент может быть выполнен в виде кольца. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Импульсная рентгеновская трубка, содержащая металлический корпус с прострельной мишенью и окном для вывода рентгеновского излучения, катод, внутренний изолирующий элемент, отличающаяся тем, что мишень отделена от окна и крепится во внутренней полости трубки с помощью двух цилиндрических колец, имеющих зуб и паз так, что величина зазора между мишенью и катодом выполнена в пределах соотношений от 1 : 20 до 1 : 5 к наружному диаметру катода. 2. Импульсная рентгеновская трубка по п.1, отличающаяся тем, что изолирующий элемент выполнен в виде кольца.