ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H05G1/22 

Изобретение относится к импульсным генераторам рентгеновского излучения наносекундной длительности и может быть использовано при разработке импульсных рентгеновских аппаратов для дефектоскопии металлоконструкций.

Известен импульсный рентгеновский генератор, содержащий импульсный высоковольтный трансформатор, накопительный конденсатор, разрядник-обостритель и рентгеновскую трубку с холодным катодом, в котором с целью упрощения конструкции и технологии все элементы генератора расположены соосно в одной герметичной оболочке, выполненной в виде замкнутого металлического цилиндра, разделенного изолятором на два изолированных объема, один из которых является областью низкого давления, а другой - областью высокого давления (см. авт. свид. СССР №396850, кл. H 05 G 1/22, опубл. 29.08.79 г.).

Недостатком такого импульсного рентгеновского генератора являются сравнительно небольшая мощность излучения в импульсе при ограниченных габаритных размерах и ограниченный срок службы из-за отсутствия возможности замены импульсного трансформатора при его выходе из строя и отсутствия элемента, шунтирующего рентгеновскую трубку.

Элемент, шунтирующий рентгеновскую трубку, влияет на параметры импульса напряжения, прикладываемого к электродам рентгеновской трубки с холодным катодом и тем самым влияет на рентгеновские характеристики генератора.

Как известно, импульс напряжения, формируемый трансформатором, лежит в микросекундном диапазоне и поэтому шунтирующий трубку элемент, например, в виде индуктивности (неоднородной линии с волновым сопротивлением, уменьшающимся по длине линии от ее входа до нуля), при действии этого импульса имеет малое сопротивление. При этом накопительный конденсатор заряжается до амплитудного значения, при котором происходит пробой разрядника-обострителя. Время коммутации разрядника-обострителя определяет фронт импульсного напряжения, приложенного к электродам рентгеновской трубки, и лежит в пределах единиц наносекунд. После пробоя разрядника-обострителя к рентгеновской трубке и шунтирующему элементу прикладывается импульс напряжения с крупным фронтом (десятые доли наносекунды). При этом время действия напряжения на трубку равно времени двойного пробега волны по линии.

Применение же шунтирующего элемента в виде объемной спирали с переменным диаметром витков на усеченном конусе позволяет значительно увеличить долговечность рентгеновской трубки и повысить интенсивность излучения. Известен также импульсный рентгеновский генератор наносекундного диапазона, содержащий рентгеновскую трубку с холодным катодом, разрядный конденсатор, импульсный трансформатор, первичная обмотка которого выполнена в виде сплошного полого цилиндра, охватывающего вторичную обмотку, которая установлена коаксиально ему и имеет форму полого усеченного конуса с круглым основанием. Разрядный конденсатор выполнен в виде коаксиальных цилиндров, длина которых больше длины трансформатора и первый из которых расположен между первичной и вторичной обмотками трансформатора, а второй - внутри вторичной обмотки трансформатора, причем в цилиндрах разрядного конденсатора выполнены окна для пропускания магнитного поля, создаваемого обмотками трансформатора. Кроме того, с целью увеличение емкости разрядного конденсатора, а следовательно, и мощности излучения в разрядный конденсатор включен третий коаксиальный цилиндр, расположенный внутри второго цилиндра и электрически соединенный с внешним первым цилиндром конденсатора (см. авт. свид. СССР №1040630, кл. H 05 G 1/24, опубл. 07.09.83 г.).

Недостатком данного рентгеновского генератора, несмотря на наличие разрядного конденсатора в виде системы трех коаксиальных цилиндров, является незначительная мощность рентгеновского излучения, определяемая конструктивными особенностями генератора.

В генераторе отсутствуют элементы (разрядник-обостритель и элемент, шунтирующий рентгеновскую трубку), определяющие параметры импульса напряжения, действующего на рентгеновскую трубку, а следовательно, и на рентгенотехнические характеристики.

Отсутствие этих элементов, наличие окон в цилиндрах разрядного конденсатора для обеспечения электромагнитной связи первичной и вторичной обмоток трансформатора, ограничивающих величину конструктивной емкости, и наличие нескомпенсированных искажений электрического поля между цилиндрами разрядного конденсатора, из-за расположения между ними вторичной обмотки трансформатора, приводит к уменьшению мощности рентгеновского излучения в импульсе и ухудшению рентгенотехнических характеристик.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является наносекундный импульсный рентгеновский генератор, содержащий импульсный трансформатор, разрядник-обостритель, конструктивный конденсатор и рентгеновскую трубку с

холодным катодом, параллельно которой включен шунтирующий элемент, выполненный в виде неоднородной линии с волновым сопротивлением, уменьшающимся по длине линии от ее входа. (См. авт. свид. СССР №571018 кл. H 05 G 1/24, опубл. 30.08.77 г. - прототип).

От характера исполнения элементов генератора и их конструктивного расположения зависят его габаритно-весовые и рентгенотехнические характеристики.

Оптимальной конструкцией такого генератора является коаксиальная конструкция, представляющая собой металлический цилиндр, внутри которого вдоль оси расположен импульсный трансформатор, разрядник-обостритель, шунтирующий трубку элемент (индуктивность в виде объемной спирали с переменным диаметром витков, представляющая собой неоднородную линию с волновым сопротивлением, уменьшающимся по длине линии от ее входа до низкоомного сопротивления или нуля). Высоковольтный конденсатор, емкость которого определяет мощность излучения в импульсе, образован металлической поверхностью корпуса разрядника-обострителя (или цилиндрического стакана, внутри которого устанавливается разрядник-обостритель) и внутренней поверхностью металлического цилиндра (оболочки генератора).

Недостатком такой конструкции генератора рентгеновского излучения являются сравнительно небольшая мощность излучения в импульсе при ограниченных габаритных размерах, сложная конструкции и технология его изготовления.

Задача изобретения заключается в создании импульсного генератора рентгеновского излучения с повышенной мощностью излучения в импульсе, за счет улучшения объемно-весовых характеристик и увеличения емкости конденсатора при сравнительных габаритных размерах.

Технический результат достигается тем, что в известном импульсном генераторе рентгеновского излучения, содержащем корпус, в котором размещены импульсный высоковольтный трансформатор, разрядник-обостритель, конденсатор, рентгеновская трубка, параллельно которой включена шунтирующая индуктивность и два изолятора в виде усеченного конуса, конденсатор выполнен в виде трех коаксиально расположенных цилиндров, один из которых является корпусом генератора, второй соединен с импульсным высоковольтным трансформатором, а третий служит частью корпуса излучателя, включающего рентгеновскую трубку, шунтирующую индуктивность и разрядник-обостритель, один изолятор которого, отделяющий области низкого и высокого давлений, выполнен с винтовой нарезкой на внешней поверхности, в которой расположена шунтирующая индуктивность, а второй изолятор, расположенный со стороны импульсного высоковольтного трансформатора, отделяет область высокого давления от объема, залитого жидким диэлектриком.

Исполнение разрядника-обострителя и рентгеновской трубки с шунтирующей ее индуктивностью в виде одного устройства (излучателя) позволяет значительно упростить конструкцию, улучшить объемно-весовые характеристики рентгеновского генератора и увеличить емкость конструктивного конденсатора, состоящего из системы трех коаксиальных цилиндров, при тех же линейных размерах генератора практически в два раза, что позволит увеличить мощность рентгеновского излучения в импульсе.

Компактное расположение основных элементов рентгеновского генератора (разрядника-обострителя, рентгеновской трубки с шунтирующим элементом в виде индуктивности) в одном герметичном корпусе излучателя позволяет сократить линейные размеры коаксиала и тем самым уменьшить потери при прохождении высоковольтного наносекундного импульса от разрядника-обострителя до электродной системы рентгеновской трубки, что также способствует значительному увеличению мощности рентгеновского излучения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Сравнение с прототипом позволило выявить совокупность существенных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены технические решения, в которых была бы повышена мощность рентгеновского излучения в импульсе за счет компактного расположения основных элементов рентгеновского генератора, улучшения его объемно-весовых характеристик и увеличения емкости конденсатора.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На чертеже представлен в разрезе импульсный рентгеновский генератор.

Импульсный рентгеновский генератор содержит герметичный корпус, состоящий из металлического цилиндра 1, внутри которого по оси расположены импульсный высоковольтный трансформатор 2, конструктивный конденсатор 3, состоящий из системы трех коаксиальных цилиндров 1, 4, 5, один из которых 4 является потенциальным, а два других 1 и 5 с нулевым потенциалом, излучатель 6, состоящий из разрядника-обострителя с межэлектродным промежутком 7, рентгеновской трубки 8 и шунтирующей индуктивности 9. Изолятор 10 отделяет области низкого давления 11 (рентгеновская трубка 8) и высокого 12 давлений (разрядник-обостритель 7). Изолятор 10 выполнен с винтовой нарезкой на внешней поверхности, в которой расположена шунтирующая индуктивность 9. Изолятор 13 отделяет область высокого давления 12 от объема 14, залитого жидким диэлектриком, 15, 16 электроды разрядника-обострителя, расположенные друг против друга по оси прибора. Электродная система рентгеновской трубки 8 состоит из тонкой диафрагмы 17 (катод), в отверстии 18 которой расположен электрод 19 (анод) с конусовидной частью.

Рентгеновский генератор работает следующим образом.

Импульс высокого напряжения, формируемый высоковольтным трансформатором 2, заряжает емкость конденсатора 3, образованного коаксиальными цилиндрами 1, 4, 5 до значения, при котором происходит пробой газового межэлектродного промежутка разрядника-обострителя 7. В результате пробоя разрядника-обострителя 7 емкость конструктивного конденсатора 3 разряжается через рентгеновскую трубку 8, которая генерирует короткий импульс излучения.

Компактное расположение основных элементов рентгеновского генератора (разрядника-обострителя, рентгеновской трубки с шунтирующим элементом в виде индуктивности) в одном герметичном корпусе излучателя позволяет сократить линейный размер коаксиала и и тем самым уменьшить потери при прохождении высоковольтного наносекундного импульса от разрядника-обострителя до электродной системы трубки, что способствует значительному увеличению мощности рентгеновского излучения в импульсе.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что заявленное изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, для чего был разработан, изготовлен и испытан образец рентгеновского аппарата на базе разрядника-обострителя с динамическим напряжением пробоя 250 кВ и рентгеновской трубкой с электродной системой, аналогичной серийно выпускаемой рентгеновской трубке ИМА5-320Д с конструктивной емкостью порядка 100 пФ.

Экспериментальные исследования показали значительное превышение его рентгенотехнических характеристик по сравнению с серийно выпускаемыми рентгеновскими аппаратами типа "Шмель" и "Арина".

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Использование: для получения рентгеновского излучения. Сущность: заключается в том, что импульсный генератор рентгеновского излучения включает конденсатор 3, который выполнен в виде трех коаксиально расположенных цилиндров, один из которых является корпусом генератора 1, второй 4 соединен с импульсным высоковольтным трансформатором 2, а третий 5 служит частью корпуса излучателя 6, включающего рентгеновскую трубку 8, шунтирующую индуктивность 9 и разрядник-обостритель 7, один изолятор 10 которого, отделяющий области низкого 11 и высокого 12 давлений, выполнен с винтовой нарезкой на внешней поверхности, в которой расположена шунтирующая индуктивность 9, а второй изолятор 13, расположенный со стороны импульсного высоковольтного трансформатора 2, отделяет область высокого давления 12 от объема 14, залитого жидким диэлектриком. Технический результат: повышение мощности излучения в импульсе. 1 ил.

Импульсный генератор рентгеновского излучения, содержащий корпус, в котором размещены импульсный высоковольтный трансформатор, разрядник-обостритель, конденсатор, рентгеновская трубка, параллельно которой включена шунтирующая индуктивность и два изолятора в виде усеченного конуса, отличающийся тем, что конденсатор выполнен в виде трех коаксиально расположенных цилиндров, один из которых является корпусом генератора, второй соединен с импульсным высоковольтным трансформатором, а третий служит частью корпуса излучателя, включающего рентгеновскую трубку, шунтирующую индуктивность и разрядник-обостритель, один изолятор которого, отделяющий области низкого и высокого давлений, выполнен с винтовой нарезкой на внешней поверхности, в которой расположена шунтирующая индуктивность, а второй изолятор, расположенный со стороны импульсного высоковольтного трансформатора, отделяет область высокого давления от объема, залитого жидким диэлектриком, при этом импульс высокого напряжения, формируемый высоковольтным трансформатором, заряжает емкость конденсатора до значения, при котором происходит пробой газового межэлектродного промежутка разрядника-обострителя, в результате данного пробоя емкость конденсатора разряжается через рентгеновскую трубку, которая генерирует короткий импульс излучения.