ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2008 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 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, при этом первый из них 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 увеличения 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 [Авт. свидетельство СССР №1040630, Н05G 1/24, опубл. 07.09.1983 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 некомпенсированных 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.

Известен также импульсный рентгеновский генератор наносекундного диапазона, 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 [Авт. свидетельство СССР №571018, Н05G 1/24, опубл. 30.08.1977 г.].

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 является сравнительно небольшая мощность излучения в импульсе при ограниченных габаритных размерах, сложная конструкция и технология его изготовления.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является импульсный генератор рентгеновского излучения, содержащий корпус, в котором соосно расположены импульсный высоковольтный трансформатор, разрядник-обостритель с двумя изоляторами в виде полых усеченных конусов и конденсатор в виде трех коаксиально расположенных цилиндров, первый из которых является корпусом генератора, второй соединен с импульсным высоковольтным трансформатором, а третий служит частью корпуса излучателя, включающего рентгеновскую трубку, шунтирующую индуктивность, разрядник-обостритель, один изолятор которого, расположенный со стороны импульсного трансформатора, отделяет область высокого давления от объема, заполненного жидким диэлектриком, а второй изолятор, отделяющий области низкого и высокого давлений, выполнен с винтовой нарезкой на внешней поверхности, в которой расположена шунтирующая индуктивность [Патент РФ №2251230, Н05G 1/22, опубл. 27.04.2005 г. - прототип].

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

Недостатком такой конструкции генератора является его низкая надежность в случае разгерметизации в излучателе перегородки между областями с высоким и низким давлениями, что может привести к разрыву внешней оболочки рентгеновской трубки.

Задача изобретения заключается в создании высокоэффективного импульсного генератора рентгеновского излучения с высокой надежностью и безопасностью в процессе изготовления и работы.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном импульсном генераторе рентгеновского излучения, содержащем корпус, в котором соосно расположены импульсный высоковольтный трансформатор, разрядник-обостритель с двумя изоляторами в виде полых усеченных конусов и конденсатор в виде трех коаксиально расположенных цилиндров, первый из которых является корпусом генератора, второй соединен с импульсным высоковольтным трансформатором, третий служит частью корпуса излучателя, включающего рентгеновскую трубку, шунтирующую индуктивность, расположенную на внешней поверхности изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса, и соединенную параллельно с рентгеновской трубкой, разрядник-обостритель, один изолятор которого, расположенный со стороны импульсного высоковольтного трансформатора, отделяет область высокого давления от объема, заполненного жидким диэлектриком, а второй изолятор ограничивает область высокого давления со стороны рентгеновской трубки, в излучатель введен дополнительный изолятор в виде полого усеченного конуса, ограничивающий область низкого давления рентгеновской трубки, на котором расположена шунтирующая индуктивность, при этом объем излучателя между дополнительным изолятором и вторым изолятором разрядника-обострителя заполнен жидким диэлектриком.

Компактное расположение основных элементов рентгеновского генератора, как и в прототипе, позволяет сократить линейные размеры коаксиала и уменьшить потери при прохождении высоковольтного наносекундного импульса от разрядника-обострителя до электродной системы рентгеновской трубки, что способствует увеличению мощности излучения генератора. Дополнительно заявленная конструкция имеет существенное преимущество - в генераторе исключается проникновение газа под высоким давлением из разрядника-обострителя в рентгеновскую трубку (область низкого давления), так как разрядник-обостритель и рентгеновская трубка разделены пространством, заполненным жидким диэлектриком. В предлагаемой конструкции генератора предусмотрено раздельное изготовление разрядника-обострителя и рентгеновской трубки с взрывной эмиссией с последовательным их включением с помощью цангового или резьбового соединения в едином цилиндрическом корпусе, в котором выполняются отверстия для заполнения жидким диэлектриком объема, отделяющего области высокого и низкого давлений излучателя, что значительно упрощает условия обеспечения безопасности в процессе изготовления генератора и его эксплуатации. Для заполнения этого объема может быть использован высокопрочный газ, например SF₆ низкого давления. Расположение шунтирующей индуктивности на внешней поверхности изолятора в рентгеновской трубке способствует линейному распределению потенциала вдоль образующей изолятора, которое сохраняется постоянным в процессе срока службы рентгеновской трубки, обеспечивая, таким образом, ее высокую долговечность.

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 отвечает 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 надежность и безопасность работы импульсного генератора рентгеновского излучения за счет введения дополнительного изолятора, позволяющего образовать объем, заполненный жидким диэлектриком, повышающего изоляцию между областями с высоким и низким давлениями в излучателе.

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

Заявленное техническое решение поясняется чертежом.

На чертеже показан один из вариантов импульсного генератора рентгеновского излучения.

Импульсный генератор рентгеновского излучения содержит герметичный корпус, состоящий из металлического цилиндра 1, внутри которого соосно 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 проходного разрядника-обострителя с межэлектродным промежутком 7 и рентгеновской трубки 8, выполненных в виде отдельных вакуумно-плотных конструкций, последовательно соединенных цанговым или резьбовым соединением 9, и шунтирующей индуктивности 10. Изоляторы 11, 12 и часть цилиндрической оболочки 4 излучателя 6 образуют оболочку проходного разрядника-обострителя и отделяют область высокого давления 13 (газонаполненный объем разрядника) от объема 14, заполненного жидким диэлектриком, при этом на меньших основаниях изоляторов 11, 12, обращенных друг к другу соосно, расположены электроды 15, 16 разрядника-обострителя. Дополнительный изолятор 17, имеющий на внешней поверхности винтовую нарезку, в которой расположена шунтирующая индуктивность 10, является составной частью оболочки рентгеновской трубки 8 и отделяет область низкого давления 18 от объема 14, заполненного жидким диэлектриком. Электродная система рентгеновской трубки 8 состоит из тонкой диафрагмы 19 (катод), в отверстии 20 которой расположен электрод 21 (анод) с конусовидной частью.

Импульсный генератор рентгеновского излучения 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 импульс излучения.

Компактное расположение основных элементов рентгеновского генератора (разрядника-обострителя, рентгеновской трубки, с шунтирующим элементом в виде индуктивности) в одном герметичном корпусе излучателя, как и в прототипе, позволяет сократить линейный размер коаксиала 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.

На основе заявленного изобретения был изготовлен образец рентгеновского аппарата с использованием разрядника-обострителя с динамическим напряжением пробоя 250 кВ и рентгеновской трубки с электродной системой, аналогичной серийно выпускаемой рентгеновской трубке ИМА5-320Д с конструктивной емкостью порядка 100 пФ. Экспериментальные результаты показали значительное превышение рентгенотехнических характеристик по сравнению с серийно выпускаемыми рентгеновскими аппаратами типа «Шмель» и «Арина». Изготовление генератора согласно заявленному изобретению позволяет исключить попадание газа из области высокого давления разрядника-обострителя в область низкого давления рентгеновской трубки и тем самым повышает надежность и безопасность процессов изготовления и эксплуатации импульсного генератора рентгеновского излучения.

Использование: для генерирования рентгеновского излучения. Сущность заключается в том, что импульсный генератор рентгеновского излучения содержит корпус, в котором соосно расположены импульсный высоковольтный трансформатор, разрядник-обостритель, конденсатор в виде трех коаксиально расположенных цилиндров, первый из которых является корпусом генератора, второй соединен с импульсным высоковольтным трансформатором, третий служит частью корпуса излучателя, включающего рентгеновскую трубку, шунтирующую индуктивность, расположенную на внешней поверхности изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса, и соединенную параллельно с рентгеновской трубкой, разрядник-обостритель, один изолятор которого, расположенный со стороны импульсного высоковольтного трансформатора, отделяет область высокого давления от объема, заполненного жидким диэлектриком, а второй изолятор ограничивает область высокого давления со стороны рентгеновской трубки, при этом в излучатель введен дополнительный изолятор в виде полого усеченного конуса, ограничивающий область низкого давления рентгеновской трубки, на котором расположена шунтирующая индуктивность, при этом объем излучателя между дополнительным изолятором и вторым изолятором разрядника-обострителя заполнен жидким диэлектриком. Технический результат: создание высокоэффективного импульсного генератора рентгеновского излучения с высокой надежностью и безопасностью в процессе изготовления и работы. 1 ил.

Импульсный генератор рентгеновского излучения, содержащий корпус, в котором соосно расположены импульсный высоковольтный трансформатор, разрядник-обостритель, конденсатор в виде трех коаксиально расположенных цилиндров, первый из которых является корпусом генератора, второй соединен с импульсным высоковольтным трансформатором, третий служит частью корпуса излучателя, включающего рентгеновскую трубку, шунтирующую индуктивность, расположенную на внешней поверхности изолятора, выполненного в виде полого усеченного конуса, и соединенную параллельно с рентгеновской трубкой, разрядник-обостритель, один изолятор которого, расположенный со стороны импульсного высоковольтного трансформатора, отделяет область высокого давления от объема, заполненного жидким диэлектриком, а второй изолятор ограничивает область высокого давления со стороны рентгеновской трубки, отличающийся тем, что в излучатель введен дополнительный изолятор в виде полого усеченного конуса, ограничивающий область низкого давления рентгеновской трубки, на котором расположена шунтирующая индуктивность, при этом объем излучателя между дополнительным изолятором и вторым изолятором разрядника-обострителя заполнен жидким диэлектриком.