РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА С АВТОКАТОДОМ Российский патент 2005 года по МПК H01J35/02 

Изобретение относится к рентгеновским трубкам, содержащим автокатод, выполненный на основе углеродных материалов, и может быть использовано в качестве источника рентгеновского излучения в приборах дефектоскопии, досмотровой аппаратуре, медицинских рентгеновских аппаратах, диагностических установках рентгеновской спектроскопии.

Известна рентгеновская трубка, содержащая заключенные в вакуумную колбу анод, управляющий электрод, окно для вывода рентгеновского излучения и в качестве источника электронов термокатод [1]. Такая рентгеновская трубка питается от высоковольтного источника питания и от источника для накала катода. Затрата мощности на накал катода снижает КПД трубки. Кроме того, обязательный разогрев катода приводит к выделению тепла и нежелательному разогреву рентгеновской трубки.

Известна также рентгеновская трубка, которая содержит заключенные в вакуумную колбу анод и автокатод, выполненный из углеродных нитей, состоящих из большого числа углеродных волокон [2], и окно для вывода рентгеновского излучения. Однако в известном устройстве не предусмотрена защита диэлектрической части оболочки рентгеновской трубки от ее облучения электронами от автокатода и от ее запыления продуктами катодного распыления при работе рентгеновской трубки. Кроме того, отсутствует возможность изменения или регулировки тока рентгеновской трубки и интенсивности рентгеновского излучения при неизменном высоком напряжении питания.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является рентгеновская трубка [3], содержащая заключенные в вакуумную колбу автокатод и анод с электрическими выводами, управляющий электрод в виде сетки, окно для вывода рентгеновского излучения. В качестве автокатода используется углеродистая наноструктурированная пленка, закрепленная внутри рентгеновской трубки, причем пленка выбрана из группы, включающей нанокристаллический графит, углеродные нанотрубки, алмаз, алмазоподобный углерод или комбинацию из двух или нескольких элементов, выбранных из этой группы.

Однако в известном устройстве не предусмотрена защита диэлектрической части оболочки рентгеновской трубки от ее облучения электронами от автокатода и от ее запыления продуктами катодного распыления при работе рентгеновской трубки.

Перечисленные факторы приводят к снижению электропрочности, надежности работы и долговечности рентгеновской трубки из-за образования проводящих пленок и прогрессирующей электропроводности между электродами рентгеновской трубки и не позволяют получить автоэмиссию и рентгеновское излучение с повторяемыми характеристиками.

Целью настоящего изобретения является повышение стабильности работы, электропрочности, надежности и увеличение срока службы рентгеновских трубок с автокатодами.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой рентгеновской трубке, содержащей размещенную в вакуумной колбе электронно-оптическую систему, состоящую из автокатода, выполненного из углеродного материала, анода с электрическими выводами, а также окна для вывода рентгеновского излучения, автокатод выполнен в виде пучка углеродных волокон, заключенных в оболочку и связанных через контактный узел автокатода с электрическим выводом, и размещен внутри отверстия дополнительно введенной диэлектрической шайбы таким образом, что между оболочкой автокатода, стенками отверстия в шайбе и торцом контактного узла образуется полость, на диэлектрическую шайбу неподвижно установлен колпачок с электрическим выводом в его торцевой стенке, выполняющим функцию управляющего электрода, причем ось пучка углеродных волокон совпадает с осью электронно-оптической системы рентгеновской трубки и осью симметрии отверстия в колпачке.

Предложенная конструкция поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена конструкция рентгеновской трубки в сборе.

На фиг.2 представлена диэлектрическая шайба с выполненными в ней продольными пазами.

На фиг.3 представлена диэлектрическая шайба с выполненными в ней поперечными пазами.

Рентгеновская трубка (фиг.1) содержит размещенные в вакуумной колбе 1 автоэлектронную пушку 2, анод 3, выполненный, в частности, камерным, окно для вывода рентгеновского излучения 4. Что касается автоэлектронной пушки 2, то она содержит автокатод 5, колпачок 6 с электрическим выводом 7, диэлектрическую шайбу 8, контактный узел автокатода 9

Пучок углеродных волокон 10 заключен в оболочку 11 для обеспечения ориентации углеродных волокон, их механического крепления и обеспечения вибростойкости. Оболочка 11 выполнена из проводящего или полупроводящего материала, например, из проводника, полупроводящего стекла или металлизированного по поверхности диэлектрика, т.е. материала, исключающего случайное изменение потенциала оболочки относительно пучка углеродных волокон при работе рентгеновской трубки. Пучок углеродных волокон 10 со стороны эмиттера выступает из оболочки 11. Для пролета автоэлектронов от катода к аноду в торцевой стенке колпачка 6, выполняющего функцию управляющего электрода трубки, выполнена диафрагма в виде отверстия 12.

Контактный узел автокатода 9 выполнен из электропроводящего материала 13, например, из электропроводящей пасты на основе пудры Ag, Аl или других металлов или проводящих материалов. Указанный материал 13 нанесен на противоположный от эмиттера конец пучка углеродных волокон и часть оболочки, обжатой металлической обечайкой 14, которая может быть выполнена, например, в виде цилиндра или цилиндра, разрезанного по плоскости, проходящей через его ось. Обечайка 14 имеет электрический (катодный) вывод 15 из вакуумированной колбы 1 и жестко соединена с диэлектрической шайбой 8, например, стеклоцементом, клеем или затвердевшей смолой. При этом центральные оси обечайки 14, пучка углеродных волокон 10, заключенных в оболочку 11, и отверстие диэлектрической шайбы 8 расположены соосно с осью электронно-оптической системы рентгеновской трубки.

Сборку трубки выполняют таким образом, что между внутренними стенками отверстия в шайбе 8, оболочкой 11 и верхним торцом контактного узла 9 образуется полость 16. Эта полость предназначена для предотвращения образования поверхностной электропроводимости между катодом 5 и управляющим электродом 6, возникающей из-за образования полупроводящих и проводящих пленок и дорожек на поверхностях оболочки катода 11, диэлектрической шайбы 8 и управляющего электрода 6. Проводящие и полупроводящие пленки образуются при термовакуумной обработке рентгеновской трубки, а также в результате распыления материала катода, подвергающегося ионной бомбардировке, и пробоев между электродами рентгеновской трубки, возникающих при тренировке и в процессе работы рентгеновской трубки.

Для предотвращения образования указанных пленок дополнительно к полости 16 в диэлектрической шайбе 8 могут быть выполнены продольные 17 (фиг.2) и/или поперечные 18 (фиг.3) электрозащитные пазы, увеличивающие поверхностную электропрочность диэлектрической шайбы 8 и предотвращающие образование поверхностной электропроводимости между автокатодом 5 и управляющим электродом 6. Электрозащитные пазы 17 и 18 увеличивают расстояние между катодом 5 и управляющим электродом 6 и препятствуют образованию паразитных электропроводящих пленок. Шайба 8 с электрозащитными пазами 17 и 18 может выполняться наборной, например, из отдельных шайб с отверстиями и кроме диэлектрических элементов может иметь металлические элементы, скрепляющие отдельные части шайбы 8 в целое. Границы наборных шайб на фиг.2 и 3 приведены пунктиром.

Долговечность рентгеновской трубки пропорциональна числу пазов и их глубине, поскольку, чем больше пазов в шайбе, тем больше площадь теневых, т.е. незапыляемых участков шайбы и тем выше ее электропрочность и, соответственно, долговечность и надежность рентгеновской трубки.

Количество выполняемых в диэлектрической шайбе пазов, их геометрические формы и размеры определяются размерами автоэлектронной пушки в рентгеновской трубке и, как следствие, размерами диэлектрической шайбы, а также возможностями технологического оборудования.

Рентгеновская трубка работает следующим образом. При подаче на анод 3 высокого положительного потенциала относительно катода 5 и напряжения между автокатодом 5 и управляющим электродом 6 с торцов углеродных волокон, выступающих из оболочки 11, возникает автоэлектронная эмиссия. На поверхность торцов углеродных волокон выходят многочисленные фибриллы - вытянутые вдоль оси волокон тетрагональные кристаллические образования углерода длиной 250-1000 и диаметром 20-50 Они являются центрами автоэлектронной эмиссии углеродных волокон. Автоэлектроны с катода 5 вылетают через отверстие 12, выполненное в торцевой стенке колпачка 6, и попадают в сильное ускоряющее электрическое поле между анодом 3 и колпачком 6. Диафрагмирующее отверстие 12 в колпачке 6 позволяет автоэлектронам лететь только на анод 3, предотвращая попадание автоэлектронов с катода на диэлектрическую часть оболочки 1 рентгеновской трубки. Размещение катодного узла, состоящего из автокатода 5, диэлектрической шабы 8 и контактного узла автокатода 9, в полости колпачка 6 исключает возможность попадания электронов с автокатода 5 на внутреннюю поверхность диэлектрической вакуумной колбы 1 рентгеновской трубки. В результате увеличивается электропрочность трубки, так как исключается вероятность зарядки и последующих пробоев диэлектрической оболочки вакуумной колбы.

В результате бомбардировки анода электронами высокой энергии возникает рентгеновское излучение, лучи которого выходят из трубки через окно 4. При изменении потенциала на колпачке 6, выполняющего функцию управляющего электрода, меняется величина напряженности электрического поля у торцевой поверхности эмитирующих углеродных волокон автокатода 5 и, таким образом, осуществляется регулировка тока рентгеновской трубки и интенсивности рентгеновского излучения.

В процессе работы рентгеновской трубки между электродами, из-за ионной бомбардировки и распыления углерода с волокон автокатода и материала оболочки, на управляющем электроде, на оболочке, между электродами, а также на поверхности скрепляющего электроды диэлектрика могут образовываться проводящие и полупроводящие пленки. Появление пленок приводит к увеличению паразитной электропроводимости между электродами рентгеновской трубки, изменяются ее характеристики, ухудшается электропрочность, надежность, снижается долговечность.

Устранение этих недостатков достигается в предлагаемой конструкции использованием в электронной пушке диэлектрической шайбы 8, в верхней части которой выполнены вертикальные 17 и/или горизонтальные пазы. Кроме того, автокатод 5 размещают в диэлектрической шайбе 8 так, что между центральным отверстием в шайбе 8 и оболочкой 11, в которую заключен пучок углеродных волокон 10, образуется полость 16. Она может иметь, например, кольцевую форму. Кроме того, введение диэлектрической шайбы обеспечивает центровку и юстировку автокатода 5 в оптической системе, что позволяет увеличить повторяемость эмиссионных и излучательных характеристик рентгеновской трубки. Формирование полости 16 между оболочкой 11 и диэлектрической шайбой 8, а также выполнение пазов 17 (фиг.2) и 18 (фиг.3) в диэлектрической шайбе 8 препятствует образованию сплошных проводящих и полупроводящих пленок между катодом и управляющим электродом 6 по поверхности диэлектрической шайбы 8. Это объясняется тем, что в процессе работы рентгеновской трубки в полости 16 и пазах 17 и 18 формируются замкнутые по контуру вокруг катода, “теневые” для запыления участки, на которые продукты катодного распыления попасть в процессе работы трубки не могут. Поэтому проводящая пленка на поверхности диэлектрической шайбы 8 будет иметь замкнутые по контуру, не запыленные области (разрывы) в полости 16 и пазах 17 и 18, предотвращающие появление паразитной электропроводности между катодом 5 и управляющим электродом 6.

Проведенные испытания заявляемой рентгеновской трубки, относящейся к типу миниатюрных, подтвердили эффективность ее конструктивных решений. Трубка с напряжением питания 50 кВ и током 100 мкА проработала без отказов более 10000 часов, что свидетельствует о ее высокой надежности и электропрочности. При этом нестабильность характеристик рентгеновской трубки составила менее 1%.

Источники информации

1. Патент ЕР №1037248, МПК Н 01 J 9/32, Н 01 J 35/02, 20.09.2000.

2. Патент US №3883760, МПК Н 01 J 35/06, 13.05.1975.

3. Заявка на патент US №2003/0002627 A1, МПК H 01 J 35/06, опубликована 2 янв. 2003 г. - прототип.

Использование: для использования в приборах дефектоскопии, таможенной досмотровой аппаратуре, медицинских рентгеновских аппаратах, в диагностических установках рентгеновской спектроскопии. Сущность: заключается в том, что рентгеновская трубка содержит размещенные в вакуумной колбе анод, окно для вывода рентгеновского излучения, катодный узел, содержащий автокатод, выполненный в виде пучка углеродных волокон, заключенных в оболочку из проводящего или полупроводящего материала, контактный узел автокатода и колпачок, выполняющий функцию управляющего электрода. Для предотвращения возникновения поверхностной паразитной электропроводимости, образующейся из-за распыления материалов автокатода на элементах конструкции рентгеновской трубки, в нее введена диэлектрическая шайба, в которой при сборке трубки между внутренним отверстием в шайбе, оболочкой автокатода и верхним торцом контактного узла автокатода образуют кольцевую полость. Наличие полости в диэлектрической шайбе, а также пазов в ней предотвращает образование сплошных проводящих и полупроводящих пленок, в результате чего увеличивается стабильность электрических и излучательных характеристик трубки. Для увеличения электропрочности трубки и исключения пробоев ее оболочки на диэлектрическую шайбу установлен колпачок с электрическим выводом и отверстием в его торцевой стенке, выполняющий функцию управляющего электрода. Колпачок установлен так, что ось пучка углеродных волокон совпадает с осью электронно-оптической системы рентгеновской трубки и осью симметрии колпачка. Технический результат: повышение стабильности работы, электропрочности, надежности и увеличение срока службы рентгеновских трубок с автокатодами. 3 ил.

Рентгеновская трубка, содержащая размещенные в вакуумной оболочке электронно-оптическую систему, состоящую из автокатода и анода с электрическими выводами, управляющего электрода и окна для вывода рентгеновского излучения, отличающаяся тем, что автокатод выполнен в виде пучка углеродных волокон, заключенных в оболочку и связанных через контактный узел автокатода с электрическим выводом, и размещен внутри отверстия в дополнительно введенной диэлектрической шайбе таким образом, что между оболочкой автокатода, стенками отверстия в шайбе и торцом контактного узла образуется полость, управляющий электрод выполнен в виде колпачка с электрическим выводом и отверстием в его торцевой стенке, неподвижно установленного на диэлектрической шайбе, причем ось пучка углеродных волокон совпадает с осью электронно-оптической системы рентгеновской трубки и осью симметрии отверстия в колпачке.