РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК H01J35/04 

Изобретение относится к рентгенотехнике, в частности к рентгеновским трубкам, и может быть использовано в медицинской диагностике и терапии, стоматологии, охранных системах (таможенных терминалах), в научных исследованиях, например, для обнаружения дефектов в слитках и изделиях различных материалов (рентгенодефектоскопия), для рентгеноструктурного анализа (определение атомной структуры различных веществ), для рентгеноспектрального анализа (определение качественного и количественного состава веществ по их рентгеновским спектрам), в томографии и др.

Широко известны рентгеновские трубки, содержащие источник электронов - катод, источник рентгеновского излучения - неподвижный анод, помещенные в вакуумно-плотный корпус [см., например, Малая советская энциклопедия, под ред. Б.А.Введенского, ГНИ “Большая советская энциклопедия”, 1959, т.7, с.1050-1051; Ф.Н.Хараджи “Общий курс рентгенотехники”, М.-Л., Энергия, 1966, с.162-185; Справочник. “Рентгенотехника”, М., Машиностроение, 1980, т.1, с.432 и др.].

Известны также рентгеновские трубки, имеющие наряду с типичными элементами некоторые конструктивные особенности:

- вращающийся анод;

- дополнительный анод, размещаемый между основным анодом и катодом;

- специальную форму катода, например удлиненную и т.д. [см., например, Ф.Н.Хараджи “Общий курс рентгенотехники”, М.-Л., Энергия,1966, с.188-192; з. ФРГ №4430622, oп. 07.03.1996, МПК H 01 J 35/14; з. ФРГ №4026299, оп. 27.02.1997, МПК H 01 J 35/14 и др.].

Недостатки известных рентгеновских трубок типичны для подобных устройств, а именно:

- ограниченное количество генерируемых длин волн рентгеновского излучения;

- отсутствие селективности генерации;

- сложность конструкции;

- низкое качество фокусировки;

- громоздкость и недолговечность как отдельных элементов, так и конструкции в целом.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является рентгеновская трубка, содержащая внутри вакуумного корпуса с торцевым выходным окном охлаждаемый с помощью патрубка неподвижный анод с секторными мишенями из различных материалов на его поверхности, вокруг которого размещен катодный узел, образованный нитями накала, количество которых соответствует количеству мишеней, и установленный ниже уровня поверхности анода; а между анодом и катодным узлом смонтирован фокусирующий электрод. Причем между секторными мишенями на поверхности анода установлены разделительные перегородки; фокусирующий электрод выполнен в виде электрически изолированных друг от друга секций, количество которых равно количеству секторных мишеней (не менее четырех) [см. а.с. СССР №1434508, заявл. №4139638 27.10.1986, oп. Б.И. 40, 1989, МПК H 01 J 35/04].

Рентгеновская трубка - прототип, хотя и позволяет получать пучки рентгеновского излучения с различными длинами волн с достаточной селективностью, однако:

- сложна в изготовлении (установка перегородок между секторными мишенями на поверхности анода; секционный фокусирующий электрод и т.д.);

- не защищает выходное окно от загрязнения продуктами испарения катодного материала;

- не обеспечивает полной защиты мишеней от запыления продуктами испарения материала нитей накала, а также от образования паровой рубашки в зоне разогрева анода;

- не защищает корпус и не используемые в конкретный момент времени мишени от бомбардировки электронами;

- не позволяет повысить качество фокусировки из-за отсутствия возможности управления траекторией движения электронов;

- имеет ограниченные функциональные возможности, т.к., в частности, не предназначена для получения стереоскопического изображения.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции с повышением качества фокусировки и расширением функциональных возможностей рентгеновской трубки.

Поставленная задача решается тем, что в известной рентгеновской трубке, содержащей внутри вакуумного корпуса с торцевым выходным окном охлаждаемый с помощью патрубка неподвижный анод с секторными мишенями из различных материалов на его поверхности, вокруг которого размещен катодный узел, образованный нитями накала, количество которых соответствует количеству мишеней, и установленный ниже уровня поверхности анода; а между анодом и катодным узлом смонтирован фокусирующий электрод, согласно первому варианту изобретения корпус в зоне выходного окна, имеющего защитное протяженное цилиндрическое отверстие, снабжен экранирующими перегородками, количество которых равно количеству мишеней; патрубок выполнен с фланцем, а фокусирующий электрод - в виде сплошного полого цилиндра, причем

D/d:H/h=3-5,

где D - диаметр катодного узла, мм;

d - диаметр защитного протяженного цилиндрического отверстия, мм;

Н - расстояние от экранирующей перегородки до катодного узла, мм;

h - расстояние от экранирующей перегородки до выходного окна, мм.

В известной рентгеновской трубке, содержащей внутри вакуумного корпуса с торцевым выходным окном охлаждаемый с помощью патрубка неподвижный анод, вокруг которого размещен катодный узел, образованный двумя нитями накала и установленный ниже уровня поверхности анода; а между анодом и катодным узлом смонтирован фокусирующий электрод, согласно второму варианту изобретения, корпус снабжен экранирующей перегородкой в зоне выходного окна, имеющего защитное протяженное цилиндрическое отверстие; патрубок выполнен с фланцем, а фокусирующий электрод - в виде сплошного полого цилиндра, причем

D/d:H/h=3÷5,

где D - диаметр катодного узла, мм;

d - диаметр защитного протяженного цилиндрического отверстия, мм;

Н - расстояние от экранирующей перегородки до катодного узла, мм;

h - расстояние от экранирующей перегородки до выходного окна, мм.

Заявляемая рентгеновская трубка (оба варианта) проста в изготовлении, обеспечивает повышение качества фокусировки за счет управления траекторией движения электронов от нити накала к мишени (первый вариант) или к поверхности анода (второй вариант), вызывающего изменение положения фокусного пятна.

При этом заявляемое соотношение диаметров и расстояний между элементами трубки необходимо и достаточно для полной защиты выходного окна, а наличие фланца на патрубке обеспечивает возникновение турбулентного потока теплоносителя вдоль рабочих участков анода, повышая эффективность охлаждения и, следовательно, рабочую мощность и долговечность конструкции.

Следует отметить, что любые рентгеновские трубки изготавливаются для конкретных технических целей. Поэтому в первом варианте предлагаемого изобретения в качестве материала секторных мишеней могут применяться различные металлы, например:

- вольфрам - для рентгеноскопии костей и обнаружения дефектов в сталях;

- серебро - для диагностики и терапии остеопороза, мягкой (детской рентгеноскопии, флуоресцентного анализа);

- алюминий и магний - для рентгенографической фотоэлектронной спектроскопии;

- свинец - для флуоресцентного анализа на серу и фосфор;

- медь, хром и железо - для рентгеноструктурного анализа и т.д.

Во втором варианте изобретения наличие анода из вольфрама со сплошной однородной поверхностью и одной экранирующей перегородкой на корпусе обеспечивает образование стереоскопического изображения на пленке или экране при прохождении рентгеновских лучей сквозь исследуемый объект (теневое изображение), что необходимо для томографии, стоматологических и дефектоскопических исследований.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение не известно из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о его соответствии критерию “новизна”.

Сущность заявляемого изобретения не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию “изобретательский уровень”.

Возможность изготовления предлагаемой рентгеновской трубки на отечественных предприятиях приборостроения из доступных серийно выпускаемых деталей и полуфабрикатов с помощью известных способов и приемов свидетельствует о соответствии изобретения критерию “промышленная применимость”.

Заявляемая рентгеновская трубка схематично представлена на фигурах: фиг.1 - рентгеновская трубка по варианту 1; фиг.2 - рентгеновская трубка по варианту 2.

Обозначения на фигурах:

на фиг.1:

1 - вакуумный корпус

2 - торцевое выходное окно

3 - патрубок с фланцем

4 - неподвижный анод

5 - секторные мишени

6 - катодный узел, образованный нитями накала

7 - фокусирующий электрод

8 - защитное протяженное цилиндрическое отверстие

9 - экранирующие перегородки

10 - подводящий канал для теплоносителя

11 - отводящий канал для теплоносителя

12 – токопроводы

на фиг.2:

1 - вакуумный корпус

2 - торцевое выходное окно

3 - патрубок с фланцем

4 - неподвижный анод

5 - катодный узел, образованный двумя нитями накала

6 - фокусирующий электрод

7 - защитное протяженное цилиндрическое отверстие

8 - экранирующая перегородка

9 - подводящий канал для теплоносителя

10 - отводящий канал для теплоносителя

11 - токопроводы

Заявляемая рентгеновская трубка (по варианту 1) состоит из вакуумного корпуса 1 с торцевым выходным окном 2, внутри которого расположен охлаждаемый с помощью патрубка 3 с фланцем неподвижный анод 4, выполненный в виде полого цилиндра из меди. На поверхность анода 4 различными методами (сварка взрывом, диффузионная сварка, сварка электронным лучом в вакууме) нанесен рабочий слой мишени 5. Мишени 5 являются секторными и в зависимости от задачи, под которую изготавливается рентгеновская трубка, выбирается их количество. Это количество варьируется от 1 до ...n. Мишень 5 выполняется как из однородного материала при наличии одного сектора, так и из нескольких при наличии n секторов. Применяемые материалы для мишени 5: V, Ag, Al, Mg, Pb, Cu, Cr, Fe, Rh или др. Вокруг анода 4 размещен катодный узел 6, образованный нитями накала, количество которых соответствует количеству мишеней 5. Катодный узел 6 установлен ниже уровня поверхности анода 4 на 0,1-0,3 мм. Между анодом 4 и катодным узлом 6 смонтирован фокусирующий электрод 7, который выполнен в виде сплошного полого цилиндра, охватывающего с зазором анод 4, причем уровень верхней кромки фокусирующего электрода 7 смещен вверх относительно поверхности анода 4 на 0,05-0,15 мм. Корпус 1 в зоне торцевого выходного окна 2, имеющего защитное протяженное цилиндрическое отверстие 8, снабжен экранирующими перегородками 9, количество которых равно количеству мишеней 5.

Размеры.

Для рабочей мощности 10 Вт:

- при D/d:H/h=3; D=12 мм, d=4 мм, H=10 мм, h=3,5 мм;

- при D/d:H/h=4; D=12 мм, d=3 мм, H=10 мм, h=2,5 мм;

- при D/d:H/h=5; D=12 мм, d=2,5 мм, Н=10 мм, h=2,0 мм.

Для заданной рабочей мощности Р_раб диаметр D определяется по формуле D=k·Р_раб, где k=1,5-1,9.

Заявляемая рентгеновская трубка (по варианту 2) состоит из вакуумного корпуса 1 с торцевым выходным окном 2, внутри которого расположен охлаждаемый с помощью патрубка 3 с фланцем неподвижный анод 4, выполненный в виде полого цилиндра из меди. На поверхность анода 4 различными методами (сварка взрывом, диффузионная сварка, сварка электронным лучом в вакууме) нанесен рабочий слой мишени (на фиг.2 не показана). Мишень является сплошной, выполненной из материала с большим атомным номером, например вольфрама. Вокруг анода 4 размещен катодный узел 5, образованный двумя нитями накала. Катодный узел 5 установлен ниже уровня поверхности анода 4 на 0,1-0,3 мм. Между анодом 4 и катодным узлом 5 смонтирован фокусирующий электрод 6, который выполнен в виде сплошного полого цилиндра, охватывающего с зазором анод 4, причем уровень верхней кромки фокусирующего электрода 6 смещен вверх относительно поверхности анода 4 на 0,05-0,15 мм. Корпус 1 в зоне торцевого выходного окна 2, имеющего защитное протяженное цилиндрическое отверстие 7, снабжен экранирующей перегородкой 8.

Размеры

Для рабочей мощности 10 Вт:

- при D/d:H/h=3; D=12 мм, d=4 мм, H=10 мм, h=3,5 мм;

- при D/d:H/h=4; D=12 мм, d=3 мм, H=10 мм, h=2,5 мм;

- при D/d:H/h=5; D=12 мм, d=2,5 мм, H=10 мм, h=2,0 мм.

Для заданной рабочей мощности Р раб диаметр D определяется по формуле D=k·Р_раб, где k=1,5-1,9.

Заявляемая рентгеновская трубка работает следующим образом.

Вариант 1

Посредством токопроводов 12 электрический ток поступает на одну из нитей накала катодного узла 6, расположенную напротив той секторной мишени 5 неподвижного анода 4, материал которой обеспечивает генерацию излучения с требуемой длиной волны. Вокруг нагретой нити накала катодного узла 6 образуется электронное облако, которое при наличии нулевого потенциала за счет провисания электрического поля от анода 4 в зазор между фокусирующим электродом 7 и корпусом 1 вытягивается в сторону анода 4 и фокусируется на мишени 5, соответствующей используемой нити накала. Электроны с энергией, определяемой потенциалом анода 4, тормозятся в веществе мишени 5, в результате чего возбуждается характеристическое рентгеновское излучение (в основном К серия), свойственное материалу мишени 5. Рентгеновское излучение выводится через выходное окно 2.

Вариант 2

Посредством токопроводов 11 электрический ток поступает на одну из двух нитей накала катодного узла 5, расположенную напротив соответствующей половины поверхности (мишени) неподвижного анода 4. Вокруг нагретой нити накала катодного узла 5 образуется электронное облако, которое при наличии нулевого потенциала за счет провисания электрического поля от анода 4 в зазор между фокусирующим электродом 6 и корпусом 1 вытягивается в сторону анода 4 и фокусируется на части анода 4, соответствующей используемой нити накала. Рентгеновское излучение генерируется на конкретной половине анода 4 и при переключении нити накала смещается по поверхности анода 4 на расстояние, определяемое конструкцией трубки. При этом поток рентгеновского излучения перемещается в пространстве на угол, определяемый размерами выходного окна 2 и его расстоянием до анода 4. Рентгеновское излучение выводится через выходное окно 2.

Как видно из описания вариантов конструкции заявляемой рентгеновской трубки и ее работы, использование изобретения по сравнению с известной рентгеновской трубкой, взятой за прототип [см. а.с. СССР №1434508, заявл. №4139638 27.10.1986, oп. Б.И. 40, 1989, МПК H 01 J 35/04], обеспечивает следующие технические и общественно-полезные преимущества:

- упрощение конструкции;

- повышение качества фокусировки;

- расширение функциональных возможностей;

- долговечность за счет защиты выходного окна, мишеней и корпуса от различных рабочих воздействий;

- высокую интенсивность облучения (интенсивность возрастает в квадратичной зависимости при приближении трубки к объекту);

- возможность работы с любыми источниками питания;

- экономичность (получение рентгеновского потока при малой потребляемой мощности);

- эргономичность (удобство эксплуатации);

- безопасность (близкое расположение анода создает малую зону облучения).

Использование: для медицинской диагностики, рентгенодефектоскопии, рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа, томографии и т.д. Сущность: заключается в том, что рентгеновская трубка содержит вакуумный корпус с торцевым выходным окном, которое имеет защитное протяженное цилиндрическое отверстие. Корпус в зоне выходного окна снабжен экранирующими перегородками (или одной). Внутри корпуса установлен неподвижный анод, охлаждаемый с помощью патрубка с фланцем и имеющий секторные мишени из различных материалов на его поверхности (или сплошную однородную поверхность). Вокруг анода размещен катодный узел, образованный нитями накала (не менее двух) и установленный ниже уровня поверхности анода. Между анодом и катодным узлом смонтирован фокусирующий электрод, выполненный в виде сплошного полого цилиндра. Причем количество экранирующих перегородок на корпусе и нитей накала равно количеству секторных мишеней. Кроме того, D/d:H/h=3÷5, где D - диаметр катодного узла, мм; d - диаметр защитного протяженного цилиндрического отверстия, мм; Н - расстояние от экранирующей перегородки до катодного узла, мм; h - расстояние от экранирующей перегородки до выходного окна, мм. Технический результат: упрощение конструкции, повышение качества фокусировки, расширение функциональных возможностей, долговечность, эргономичность и безопасность, возможность работы с любыми источниками питания, высокая интенсивность облучения, экономичность. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Рентгеновская трубка, содержащая внутри вакуумного корпуса с торцевым выходным окном охлаждаемый с помощью патрубка неподвижный анод с секторными мишенями из различных материалов на его поверхности, вокруг которого размещен катодный узел, образованный нитями накала, количество которых соответствует количеству мишеней, и установленный ниже уровня поверхности анода, а между анодом и катодным узлом смонтирован фокусирующий электрод, отличающаяся тем, что корпус в зоне выходного окна, имеющего защитное протяженное цилиндрическое отверстие, снабжен экранирующими перегородками, количество которых равно количеству мишеней, патрубок выполнен с фланцем, а фокусирующий электрод - в виде сплошного полого цилиндра, причем

D/d:H/h=3÷5,

где D - диаметр катодного узла, мм;

d - диаметр защитного протяженного цилиндрического отверстия, мм;

Н - расстояние от экранирующей перегородки до катодного узла, мм;

h - расстояние от экранирующей перегородки до выходного окна, мм.

D/d:H/h=3÷5,

где D - диаметр катодного узла, мм;

d - диаметр защитного протяженного цилиндрического отверстия, мм;

Н - расстояние от экранирующей перегородки до катодного узла, мм;

h - расстояние от экранирующей перегородки до выходного окна, мм.