МОДУЛЬНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА, А ТАКЖЕ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОЙ МОДУЛЬНОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ Российский патент 2009 года по МПК H01L35/02 

Данное изобретение касается рентгеновской трубки для высоких мощностей дозы облучения, соответствующего способа выработки высоких мощностей дозы облучения с помощью рентгеновских трубок, а также способа изготовления соответствующих рентгеновских устройств, в которых анод и катод расположены в вакуумированной полости противоположными друг другу, причем электроны ускоряются посредством приложенного к аноду высокого напряжения.

Использование рентгеновских трубок в научных и технических областях применения широко распространено. Рентгеновские трубки находят применение не только в медицине, например в системах диагностики или в терапевтических системах для облучения больных тканей, но они применяются также, например, для стерилизации материалов, таких как кровь или пищевые продукты, или для стерилизации (половой стерилизации) живых организмов, таких как насекомые. Другие области применения также находятся в традиционной рентгенотехнике, такой как, например, просвечивание багажных мест и/или транспортных контейнеров, или неразрушающий контроль деталей, например бетонной арматуры, и т.д. В предшествующем уровне техники описаны разные способы изготовления и устройства рентгеновских трубок. Они распространяются от миниатюрных трубок в форме корпуса транзистора до мощных ламп с ускоряющим напряжением вплоть до 450 кВ. Кроме того, в самое последнее время большие затраты и усилия в промышленности и технике употребляются на то, чтобы улучшить мощность и/или эффективность, и/или долговечность, и/или возможность обслуживания систем облучения. Эти усилия вызваны, в частности, новыми требованиями к системам безопасности, таким как, например, при просвечивании больших грузовых контейнеров в воздушном сообщении и т.д., и подобным им устройствам.

Традиционные рентгеновские трубки применяемых в промышленных условиях типов выполнены либо из стекла, либо из металлокерамических комбинированных материалов. На фиг.1 схематично изображен пример такой традиционной рентгеновской трубки из стеклянного материала. На фиг.2 и 3 показаны традиционные рентгеновские трубки из металлокерамических комбинированных материалов. В рентгеновских трубках электроны проходят сквозь электрическое поле в вакуумированной трубке. При этом они ускоряются до своей конечной энергии и преобразовывают ее на поверхности мишени в рентгеновское излучение. Т.е. рентгеновские трубки содержат анод и катод, которые расположены противоположными друг другу в вакуумированной полости и которые в металлокерамических трубках заключены в цилиндрической металлической детали (фиг.2/3), а в стеклянных трубках - в стеклянном цилиндре. В стеклянных трубках стекло действует как изолятор. В металлокерамических трубках, напротив, анод и/или катод обычно электрически изолирован посредством керамического изолятора, причем один или несколько керамических изоляторов расположены по оси металлического цилиндра за анодом и/или катодом и замыкают вакуумное пространство на соответствующем конце. Керамические изоляторы в типичном случае выполнены дискообразными (кольцеобразными) или коническими. Принципиально в этих типах трубок была бы возможна любая геометрия изоляторов, причем при высоких напряжениях должно учитываться превышение поля. Как правило, керамические изоляторы имеют в свой середине отверстие, в которое вакуум-плотно вставлен ввод высокого напряжения к аноду или к катоду. Этот тип рентгеновских трубок в предшествующем уровне техники также называют двухполюсными или биполярными рентгеновскими трубками (фиг.3). От них отличаются так называемые униполярные устройства (фиг.2), в которых анод, т.е. мишень, подключен к потенциалу «земли». В биполярных системах источник электронов (катод) находится под отрицательным высоким напряжением (ВН), а мишень (анод) находится под положительным высоким напряжением. Во всех известных из уровня техники конструктивных формах, однако, полное ускоряющее напряжение для ускорения электронов прикладывается (одноступенчато) между анодом и катодом. Следует обратить внимание также на то, что есть решения, в которых между анодом и катодом установлена находящаяся под потенциалом «земли» диафрагма (промежуточная диафрагма). Эта промежуточная диафрагма может служить для них в качестве электронно-оптической линзы, но также и в качестве механической диафрагмы для рассеивающихся обратно от мишени электронов.

Проблемы или недостатки, которые возникают посредством этих одноступенчатых конструкций, заключаются в том, что при возрастающих приложенных напряжениях также возрастает вероятность возмущающего физического эффекта. Это ограничивает в настоящее время рентгеновские трубки согласно уровню техники по прикладываемым напряжениям при униполярных трубках максимум примерно 200-300 кВ, а при биполярных устройствах - максимум примерно 450 кВ. Как только что упоминалось, наряду с желаемой генерацией рентгеновского излучения при эксплуатации рентгеновской трубки возникают дополнительные физические эффекты, такие как, например, автоэлектронная (полевая) эмиссия, вторичная электронная эмиссия и фотоэффект, которые ограничивают работоспособность трубки. Эти эффекты, однако, не только мешают работе рентгеновской трубки, но и могут приводить к повреждению материала и вместе с тем к преждевременной усталости деталей. В частности, вторичная электронная эмиссия известна нанесением ущерба работе рентгеновских трубок. В случае вторичной электронной эмиссии при попадании электронного пучка на анод наряду с рентгеновским излучением возникают нежелательные, но неизбежные вторичные электроны, которые внутри рентгеновской трубки перемещаются по путям, соответствующим силовым линиям поля. Эти вторичные электроны посредством различных процессов рассеивания и столкновения могут попадать на поверхность изолятора и поэтому понижать изоляционные свойства по отношению к высокому напряжению. Вторичные электроны возникают, однако, также вследствие того, что изоляторы на аноде и/или катоде при работе задеваются неизбежными электронами автоэлектронной эмиссии и поэтому испускают вторичные электроны. Электрическое поле возникает при включенном высоком напряжении на аноде и катоде, т.е. при работе рентгеновской трубки, в полости или обращенной к полости поверхности. Оно охватывает также поверхности изолятора. Чем короче рентгеновская трубка и чем шире керамический изолятор, тем больше вероятность того, что вторичные электроны и/или электроны автоэлектронной эмиссии попадут на эту или эти керамическую(ие) деталь(и). Это ведет к тому, что устойчивость к высокому напряжению и долговечность устройства нежелательным образом понижаются. Поэтому при дискообразных изоляторах из предшествующего уровня техники, например из DE 2855905, известно применение так называемых экранированных электродов. Экранированные электроды могут, например, применяться парами, причем они расположены в рентгеновской трубке вращательно-симметричной формы в большинстве случаев соосно на определенном расстоянии с тем, чтобы оптимальным образом препятствовать распространению вторичных электронов. Как было показано, такие устройства, однако, уже не могут использоваться при очень высоком напряжении. К тому же затраты на материалы и изготовление при таких конструкциях больше, чем в случае рентгеновских трубок только с изоляторами. Другая возможность согласно предшествующему уровню техники показана, например, в DE 6946926. Чтобы уменьшить контактную поверхность, в этих решениях применяется конический керамический изолятор. Керамический изолятор имеет по существу постоянную толщину стенки и покрыт, например, навулканизированым резиновым слоем. Этот слой должен способствовать тому, чтобы вторичные электроны возникали менее интенсивно. Как упоминается, электрическое поле охватывает внутреннее пространство вакуумной полости и также поверхности изолятора. В частности, при конических изоляторах попадающий на изоляторы электрон или вызванный посредством такого попавшего электрона электрон рассеивания ускоряется под действием поля от поверхности в направлении анода. Принципиально изоляционные конусы выполнены так, что вектор нормали электрического поля ускоряет электроны от поверхности изолятора. Изолятор со стороны анода, как и изолятор со стороны катода, выполнен как выступающий во внутреннюю полость усеченный конус, и тогда попадающий на изолятор (например, испускаемый из металлической колбы) электрон также ускоряется к аноду. Конус изолятора со стороны анода выполнен, например, так, что вектор нормали направлен от поверхности. Со стороны анода электрон движется вдоль по поверхности изолятора до тех пор, пока указывающее путь электрическое поле от плоскости изолятора воздействует на электрон. После пробега некоторого пути такой электрон имеет достаточную энергию для того, чтобы эмитировать дополнительные электроны, которые, в свою очередь, снова эмитируют электроны, так что доходит до текущей по поверхности изолятора к аноду электронной лавины, которая может вызывать значительное нарушение, а при известных условиях - также выброс газа или даже пробой изолятора. Чем выше напряжение, тем значительнее этот эффект. Поэтому при очень высоких напряжениях этот тип изоляторов больше не может применяться. К тому же отмечено, что геометрическая длина увеличивается с возрастающим приложенным электрическим полем. Электроны в зависимости от энергии и угла выхода также могут проходить в направлении катода, в особенности - в случае рассеянных электронов. На стороне катода вышеописанный эффект возникает, однако, в меньшей степени, так как электроны, которые со стороны катода доходят до поверхности изолятора или из нее эмитируются, движутся через вакуум в направлении металлического цилиндра, а не вдоль поверхности изолятора. Чтобы преодолеть этот недостаток, в предшествующем уровне техники известны различные решения, например в публикации DE2506841 предложено выполнить со стороны катода изолятор таким образом, что между изолятором и трубкой возникало пустое коническое пространство. Другое решение согласно предшествующему уровню техники приведено, например, в патентном документе ЕР 0215034, где дискообразный изолятор расположен ступенчато относительно металлического цилиндра. Однако было показано, что все предложенные в предшествующем уровне техники решения при высоких напряжениях, т.е., например, выше 150 кВ, имеют нарушения, которые приводят, в том числе, к преждевременному старению материала, и поэтому могут происходить выбросы газа и/или пробои изолятора. Таким образом, известные в предшествующем уровне техники рентгеновские трубки для многих современных областей применения с очень высокими напряжениями (>400 кВ) применимы лишь очень плохо или совсем не применимы.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить новую рентгеновскую трубку и соответствующий способ изготовления таких рентгеновских трубок, которые не имеют вышеописанных недостатков. В частности, необходимо предложить рентгеновский излучатель, который способен выдавать во много раз большие электрические мощности, чем традиционные рентгеновские излучатели. Кроме того, трубки должны быть выполняемыми модульными и должны изготавливаться просто и экономно. Дополнительно, возможные дефектные детали рентгеновской трубки должны быть заменяемыми, без необходимости замены всей рентгеновской трубки.

Согласно настоящему изобретению эта цель достигается, в частности, посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения. Дополнительные предпочтительные варианты реализации следуют, кроме того, из зависимых пунктов формулы изобретения и приведенного здесь описания.

В частности, эти цели посредством изобретения достигаются с помощью того, что в рентгеновской трубке анод и катод расположены в вакуумированной полости противоположными друг другу, причем на катоде генерируются электроны, посредством прикладываемого высокого напряжения они ускоряются к аноду, и посредством этих электронов на аноде генерируется рентгеновское излучение, при этом рентгеновская трубка содержит несколько дополняющих друг друга ускоряющих модулей, причем эти ускоряющие модули содержат, соответственно, по меньшей мере один потенциалонесущий электрод, причем первый ускоряющий модуль содержит катод с генерированием первичных электронов, а последний ускоряющий модуль содержит анод с генерированием рентгеновского излучения, и при этом рентгеновская трубка содержит по меньшей мере один дополнительный ускоряющий модуль с потенциалонесущим электродом, причем этот ускоряющий модуль для ускорения электронов является сколь угодно часто повторяющимся образом подключаемым последовательно, и при этом рентгеновская трубка выполнена модульной. Анод может содержать мишень для генерирования рентгеновского излучения с окном выхода или может быть выполнен как передающий анод, который снаружи замыкает вакуумированную полость рентгеновской трубки. По меньшей мере один из электродов может иметь сферически или конически выполненные концы для снижения или минимизации превышения поля на соответствующем электроде. Электроды могут быть подсоединены, например, посредством выводов подключения потенциалов, например, к каскаду высокого напряжения. Преимуществом изобретения является, помимо прочего, то, что может быть получено рентгеновское излучение очень высокой мощности, причем геометрические конструктивные размеры рентгеновской трубки, в особенности - относительно трубок согласно предшествующему уровню техники, являются маленькими. Одновременно изобретение дает возможность получить рентгеновскую трубку, которая способна стабильно работать в очень широком диапазоне электрического потенциала без изменения характеристик мощности. Дополнительным преимуществом изобретения является, в том числе, гораздо меньшая нагрузка на изолятор за счет электрического поля. Это особенно проявляется по сравнению с традиционными дискообразными изоляторами. Рентгеновская трубка согласно изобретению может, например, быть изготовлена в одностадийном процессе вакуумной пайки. Это имеет, в частности, то преимущество, что последующее вакуумирование рентгеновской трубки посредством высоковакуумного насоса может быть исключено. Дополнительным преимуществом является то, что рентгеновская трубка согласно изобретению посредством своей простой и модульной конструкции особенно подходит для одноэтапного способа, так как поля внутри трубки намного меньше, чем у традиционных трубок, и тем самым трубка согласно изобретению меньше восприимчива к загрязнениям и/или негерметичным местам.

В одном варианте реализации разность потенциалов между соответствующими двумя потенциалонесущими электродами соседних ускоряющих модулей для всех ускоряющих модулей выбирается постоянной, причем конечная энергия ускоренных электронов является целочисленно кратной энергии одного ускоряющего модуля. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что нагрузка на изоляторы на всем протяжении является постоянной, и при этом не происходит превышений поля, которые могут отрицательным образом сказываться на производительности трубки.

В другом варианте реализации по меньшей мере один из ускоряющих модулей имеет повторно закрывающийся вакуумный клапан. Ускоряющие модули могут при этом быть снабжены с одной стороны или с двух сторон вакуумным уплотнением с тем, чтобы обеспечить воздухогерметичное смыкание между отдельными ускоряющими модулями. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что посредством вакуумного клапана отдельные детали рентгеновской трубки могут быть заменены, без необходимости подобной замены всей трубки, как в случае традиционных трубок. Так как предложенная трубка выполнена модульной, это позволяет впоследствии также без проблем приспосабливать трубку к измененным условиям эксплуатации тем, что вводятся дополнительные ускоряющие модули или удаляются существующие модули. Это невозможно ни в одной из трубок согласно предшествующему уровню техники.

В одном дополнительном варианте реализации ускоряющий модуль ускорения содержит цилиндрический изоляционный керамический элемент. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что механические конструктивные трудозатраты при умеренной нагрузке под действием электрического поля незначительны, причем достижимы необыкновенно высокие характеристики мощности.

В еще одном варианте реализации этот изоляционный керамический элемент имеет высокоомное внутреннее покрытие. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что избегаются возмущающие заряды вследствие рассеянных электронов, вызванных, с одной стороны, посредством обусловленного полем процесса в изоляционном материале, а с другой стороны - посредством рассеиваемых обратно от анодной мишени вторичных электронов или посредством электронов автоэлектронной эмиссии. Вместе с тем, может быть дополнительно повышен срок службы рентгеновских трубок и/или разности потенциалов между отдельными ускоряющими электродами.

В одном варианте реализации изоляционный керамический элемент 53 имеет ребристую внешнюю структуру. Посредством такой формы изоляционного керамического элемента 53 протяженность изоляции на внешней стороне (стороне атмосферы) изолятора может удлиняться. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что он имеет выполненную соответствующей высокому напряжению внешнюю структуру. Эта внешняя структура дополнительно делает возможным улучшенное эффективное охлаждение рентгеновской трубки.

В одном варианте реализации электроды ускоряющего модуля содержат экран для подавления потока рассеянных электронов к изоляционному керамическому элементу. По меньшей мере один из этих экранов может иметь сферически или конически выполненные концы для снижения или минимизации превышения поля на соответствующем экране. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что экраны образуют дополнительную защиту для изоляционных керамических элементов. Вместе с тем, дополнительно могут быть повышены срок службы рентгеновских трубок и/или разности потенциалов между отдельными ускоряющими электродами.

В еще одном варианте реализации рентгеновскую трубку согласно изобретению изготавливают одноэтапным способом. Это имеет, в том числе, то преимущество, что заключительное вакуумирование рентгеновской трубки 10 посредством высоковакуумных насосов может быть исключено. Дополнительным преимуществом одноэтапного способа, т.е. одностадийного способа изготовления посредством общей пайки трубки в вакууме (одноэтапный способ), в том числе, является то, что существует один единственный процесс изготовления, а не три, как традиционно: 1. Узловая пайка. 2. Узловая сборка (например, пайка или сварка). 3. Вакуумирование трубки посредством вакуумного насоса. Поэтому одностадийный способ изготовления является экономически более эффективным, более времясберегающим и дешевым. Одновременно при этом способе в случае подходящего технологического процесса можно минимизировать загрязнение трубки. Тем не менее, может оказаться предпочтительным, когда трубка уже в значительной степени свободна от загрязнений, что, как правило, минимизирует диэлектрическую (пробивную) прочность изоляционных керамических элементов. Требования к вакуумной герметичности для трубок 10 при одноэтапном способе в большинстве случаев являются такими же, что и при многостадийных способах изготовления.

В этом месте необходимо указать, что настоящее изобретение, наряду со способом согласно изобретению, также относится к устройству для выполнения этого способа, а также к способу изготовления такого устройства. В частности, он относится также к системам облучения, которые содержат по меньшей мере одну рентгеновскую трубку согласно изобретению с одним или несколькими каскадами высокого напряжения для обеспечения питанием упомянутой по меньшей мере одной рентгеновской трубки.

Далее варианты реализации данного изобретения будут описаны на основе примеров. Примеры вариантов реализации проиллюстрированы следующими приложенными чертежами.

На фиг.1 показана структурная схема, которая схематично показывает рентгеновскую трубку 10 из стеклянного материала согласно предшествующему уровню техники. При этом электроны е^- эмитируются из катода 30, а рентгеновские лучи γ излучаются из анода 20 через окно 201. Позицией 50 обозначена цилиндрическая стеклянная трубка, причем стекло служит в качестве изолятора.

На фиг.2 показана структурная схема, которая схематично показывает униполярную рентгеновскую трубку 10 из металлокерамического комбинированного материала согласно предшествующему уровню техники. Позицией 51 обозначен керамический изолятор, позицией 52 обозначен подключенный к «земле» металлический цилиндр. При этом электроны е^- эмитируются из катода 30, а рентгеновские лучи γ излучаются из анода 20 через окно 201.

На фиг.3 показана структурная схема, которая схематично показывает биполярную рентгеновскую трубку 10 также из металлокерамического комбинированного материала согласно предшествующему уровню техники. Позицией 51 обозначен керамический изолятор, позицией 52 обозначен подключенный к «земле» металлический цилиндр. При этом электроны е^- эмитируются из катода 30, а рентгеновские лучи γ излучаются из анода 20 через окно 201.

На фиг.4 показана структурная схема, которая схематично показывает пример внешнего вида рентгеновской трубки 10 согласно изобретению.

На фиг.5 показана структурная схема, которая схематично показывает архитектуру одного варианта реализации рентгеновской трубки 10 согласно изобретению. При этом электроны е^- эмитируются из катода 30, а рентгеновские лучи γ излучаются из анода 20 через окно 201. Рентгеновская трубка 10 содержит несколько дополняющих друг друга ускоряющих модулей 41, ..., 45, и каждый ускоряющий модуль 41, ..., 45 содержит по меньшей мере один потенциалонесущий электрод 20/30/423/433/443.

На фиг.6 показана структурная схема, которая схематично показывает архитектуру дополнительного варианта реализации рентгеновской трубки 10 согласно изобретению. Рентгеновская трубка 10 содержит, как и на фиг.3, несколько дополняющих друг друга ускоряющих модулей 41, ..., 45 с потенциалонесущими электродами 20/30/423/433/443. Ускоряющие модули содержат дополнительно электронные экраны 422/432/442 для подавления потока рассеянных электронов к изоляционному керамическому элементу.

На фиг.7 также показана структурная схема, которая схематично показывает архитектуру другого варианта реализации рентгеновской трубки 10 согласно изобретению. Рентгеновская трубка 10 содержит, как и на фиг.3, несколько дополняющих друг друга ускоряющих модулей 41, ..., 45 с потенциалонесущими электродами 20/30/423/433/443. По меньшей мере один из ускоряющих модулей 41, ..., 45 дополнительно содержит повторно закрывающийся вакуумный клапан 531.

На фиг.8 показано поперечное сечение рентгеновской трубки 10 согласно изобретению, которое схематично показывает архитектуру варианта реализации согласно фиг.3.

На фиг.9 показано еще одно поперечное сечение рентгеновской трубки 10 согласно изобретению. Ускоряющие модули 41, ..., 45 дополнительно содержат один возможный вариант реализации экранов 423...443 для подавления потока рассеянных электронов к изоляционному керамическому элементу. Этот вариант реализации имеет, в том числе, то преимущество, что экраны образуют дополнительную защиту для изоляционных керамических элементов. Вместе с тем, дополнительно могут быть увеличены срок службы рентгеновских трубок и/или разности потенциалов между отдельными ускоряющими электродами. Возможный вариант реализации по фиг.9 показывает сферически или конически выполненные концы электродов 423/433/443 и/или экраны 412, ..., 415 для снижения или минимизации превышения поля на соответствующем электроде 423/433/443 и/или экране 412, ..., 415. Электроды 423/433/443 являются присоединяемыми посредством выводов подключения потенциалов, например, к каскаду высокого напряжения.

На фиг.10 изображена принципиальная конструкция ускоряющей ступени модульной металлокерамической трубки с модульной двухступенчатой ускоряющей ступенью с двумя ускоряющими модулями 42/43 с изоляционным керамическим элементом, ускоряющими электродами 423/433 и выводами 421/431 подключения потенциалов.

На фиг.11 схематично показано распределение потенциала в модульной рентгеновской трубке 10 согласно изобретению в случае варианта реализации с трубкой на 800 кВ.

На фиг.12 схематично показана система 60 облучения с рентгеновской трубкой 10 согласно изобретению. Система 60 облучения содержит каскад 62 высокого напряжения для обеспечения питания рентгеновской трубки 10, трансформатор 63 высокого напряжения, а также выходное окно 61 для рентгеновского излучения γ из защитного корпуса 65.

На фиг.13 показан дополнительный вариант реализации трех ускоряющих модулей 42/43/44 с изоляционным керамическим элементом, электронным экраном 422/432/442 и ускоряющими электродами 423/433/443.

Фиг.4-10 иллюстрируют архитектуры, такие как те, которые могут быть применены для реализации изобретения. В этих вариантах реализации для модульной рентгеновской трубки 10 анод 20 и катод 30 располагают в вакуумированной полости 40 противоположными друг другу. Электроны е^- генерируются на катоде 30, причем катод 30 служит в качестве эмиттера электронов. Катод служит, таким образом, с одной стороны, для выработки электрического поля Е, а с другой стороны, однако, также для генерирования электронов. Поэтому для этого применения принципиально подходят все материалы, которые могут эмитировать электроны е^-. Этот процесс может быть достигнут посредством термоэлектронной эмиссии, но также и посредством автоэлектронной эмиссии (холодный эмиттер). В качестве холодного эмиттера может применяться, например, любой тип матрицы с микронаконечниками с чаще всего алмазоподобными структурами или, например, также нанотрубки. Разумеется, холодная эмиссия может применяться при таком типе трубки также посредством использования эффекта Пеннинга в соответствующим образом выполненных металлах. Например, можно использовать термоэлектронные эмиттеры, которые также применимы с излучателем согласно этой концепции, такие как, например, вольфрам (W), гексаборид лантана (LaB₆), распределительные («импрегнированные») катоды (La в W) и/или оксидные катоды (например, ZrO). Электроны е^- посредством прикладываемого высокого напряжения на аноде 20 ускоряются и генерируют рентгеновские лучи γ на поверхности мишени анода 20. Аноды 20 выполняют в рентгеновской трубке 10 две функции. С одной стороны, они служат в качестве положительного электрода 20 для генерирования электрического поля Е для ускорения электронов е^-. С другой стороны, аноды 20 или встроенный в аноды материал мишени служат в качестве того места, где энергия электронов преобразуется в рентгеновское излучение γ. Это преобразование зависит, с одной стороны, от энергии частиц, но также от атомного номера материала мишени. В первом приближении согласно формуле Бете потеря энергии частиц происходит в зависимости от квадрата атомного номера Z материала мишени:

.

В этом процессе анод 20 термически нагружен. Следовательно, анод или материал мишени должен быть в состоянии выдержать эту термическую нагрузку. Из этого следует, что давление пара материала мишени при рабочей температуре мишени должно бы быть достаточно маленьким для того, чтобы не оказывать негативного влияния на необходимый для работы рентгеновской трубки 10 вакуум. Поэтому предпочтительно могут, например, использоваться материалы мишени, которые являются устойчивыми к высокой температуре или могут хорошо охлаждаться. К тому же материал мишени, например, может быть вставлен в хорошо проводящий тепло материал (например, медь), который может быть хорошо охлажден, т.е. хорошо проводить тепло. Например, поэтому по возможности в качестве анода (мишени) 20 могут применяться тяжелые и температуроустойчивые материалы. В особенности подходят для этого, например, такие материалы, как вольфрам (W, Z=74) и/или уран (U, Z=92), и/или родий (Rh, Z=45), и/или серебро (Ag, Z=47), и/или молибден (Мо, Z=42), и/или палладий (Pd, Z=46), и/или железо (Fe, Z=26), и/или медь (Cu, Z=29). При выборе материала мишени особенно предпочтительным может оказаться, например, в аналитических областях применения, принять во внимание то, чтобы характеристические линии (К_α) подходили для специфического назначения применения трубки.

Рентгеновская трубка 10 дополнительно содержит несколько дополняющих друг друга ускоряющих модулей 41, ..., 45. Каждый ускоряющий модуль содержит по меньшей мере один потенциалонесущий электрод 20/30/423/433/443 с соответствующими выводами 421/431/441 подключения потенциалов. Первый ускоряющий модуль 41 содержит катод 30 с генерированием электронов е^-, т.е. с эмиттером электронов. Второй ускоряющий модуль 45 содержит анод 20 с рентгеновским излучением γ. Рентгеновская трубка содержит по меньшей мере один дополнительный ускоряющий модуль 42, ..., 44 с потенциалонесущим электродом 423/433/443. Вакуумированная полость 40 может быть снаружи ограничена, например, посредством изоляционного керамического элемента 51. Для концепции излучателя согласно изобретению могут быть применены, например, изоляционные материалы, которые удовлетворяют электрическим требованиям рентгеновской трубки 10 (напряженность поля). Для соответствующего варианта реализации изоляционные материалы должны также быть подходящими для изготовления металлокерамического соединения. Кроме того, керамический материал должен быть применимым для высоковакуумных областей использования. Подходящими материалами, таким образом, являются, например, чистые оксидные керамические материалы, такие как оксиды алюминия, магния, бериллия и циркония. Также принципиально подходит монокристаллический Al₂O₃ (сапфир). Дополнительно также рассматриваются так называемые стеклокерамические материалы, такие как, например, макор (Macor), или подобные материалы. Естественно, особенно подходят также смешанные керамические материалы (например, легированный Al₂O₃), при условии, что они имеют соответствующие свойства. Изоляционные керамические элементы 51 могут, например, снаружи быть выполнены ребристыми или имеющими подобные формы, с тем, чтобы удлинить изоляционный участок изоляционной оболочки 51, который находится не со стороны вакуума, а находится, например, в изоляционном масле. Аналогичным образом, однако, может быть предусмотрен также любой другой вариант реализации, например чистая цилиндрическая форма, изоляционного керамического элемента, не затрагивая вместе с тем суть изобретения. Изоляционный керамический элемент 51 может дополнительно иметь, например, также высокоомное внутреннее покрытие для того, чтобы отводить возможные заряды, которые могли быть вызваны различными электронными процессами, причем одновременно обеспечивается то, что может быть приложено ускоряющее напряжение. На фиг.8 показана принципиальная конструкция модульной металлокерамической трубки с двумя дополнительными ускоряющими модулями 42/43 с изоляционным керамическим элементом 51, ускоряющими электродами 423/433 и выводами 421/432 подключения потенциалов. Описанный здесь принцип конструкции рентгеновской трубки 10, которая, например, состоит из металлокерамического комбинированного (композиционного) материала, может быть выполнен согласно изобретению сколь угодно часто повторяющимся образом подключенным последовательно и так использоваться для ускорения электронов е^- (многоступенчатое ускорение). Последний потенциалонесущий электрод ускоряющей конструкции является необходимым для генерирования анодом 20. Напротив расположен необходимый для выработки электронов катод 20, который представляет собой первый электрод этой ускоряющей конструкции. Это представлено в вариантах реализации на фиг.4-9. При соответствующем расположении и выборе электродов рентгеновские трубки 10 могут быть выполнены с общей энергией до 800 кВ или более (например, фиг.5). Для сравнения, традиционные рентгеновские трубки до сегодняшнего дня могли быть изготовлены максимально с общей энергией от 200 до 450 кВ. Значительным преимуществом этой концепции является то, что достигаются очень большие энергии при, одновременно, маленьких конструктивных формах. Дополнительным преимуществом по сравнению с существующими концепциями является почти однородная нагрузка на сегменты изоляционного керамического элемента 51 за счет электрического поля. Это имеет, в том числе, то преимущество, что посредством сегментации рентгеновская трубка 10 может быть выполнена так, что нагрузка по полю изоляционных керамических элементов 51 остается ниже необходимого для пробоев высоким напряжением предельного значения. На фиг.9 схематично показано распределение потенциала в модульной рентгеновской трубке 10 согласно изобретению в случае варианта реализации с трубкой на 800 кВ. В предложенных в предшествующем уровне техники трубках, напротив, имеют место слишком сильные радиальные нагрузки на изоляционные керамические элементы, так как трубки выполнены по существу подобно цилиндрическому конденсатору. Эти радиальные поля приводят к очень высоким напряженностям поля на месте стыка между внутренним радиусом изолятора и расположенными по оси ускоряющими электродами (анодом, катодом). Посредством этого огромное превышение поля на так называемой тройной точке (изолятор - электрод - вакуум) приводит к автоэлектронной эмиссии электронов, которые вызывают пробои высоким напряжением и могут привести к разрушению трубки, как дополнительно выше уже было описано. На фиг.1 схематично показана архитектура такой традиционной рентгеновской трубки 10 согласно уровню техники. При этом электроны е^- эмитируются из электронного эмиттера, т.е. катода 20, как правило - горячей вольфрамовой спирали, посредством прикладываемого высокого напряжения ускоряются к мишени, при этом из данной мишени, т.е. анода 30, через окно 301 излучаются рентгеновские лучи γ. Тройная точка (превышения поля, которые ведут к автоэлектронной эмиссии электронов е^-) возникает при этом как со стороны катода, так и со стороны анода.

Разность потенциалов между соответствующими двумя потенциалонесущими электродами 20/30/423/433/443 соседних ускоряющих модулей 41, ..., 45, например, может быть также выбрана для всех ускоряющих модулей 41, ..., 45 постоянной, причем энергия ускоренных электронов е^- является целочисленно кратной энергии одного ускоряющего модуля 41, ..., 45. По меньшей мере один из этих ускоряющих модулей 41, ..., 45 может дополнительно иметь повторно закрывающийся вакуумный клапан 531. Это имеет то преимущество, что посредством вакуумного клапана 531 отдельные детали рентгеновской трубки 10 могут быть заменены, без необходимости заменять одновременно всю трубку, как в случае традиционных рентгеновских трубок. Поскольку трубка 10 согласно изобретению выполнена модульной, то за счет этого можно впоследствии также без проблем приспосабливать трубку 10 к измененным условиям эксплуатации с помощью того, что вводятся дополнительные ускоряющие модули или удаляются существующие модули. Это невозможно в случае трубок согласно предшествующему уровню техники.

Важно указать на то, что в случае рентгеновской трубки 10 согласно изобретению принципиальное модульное построение, т.е. повышение энергии излучения рентгеновской трубки 10, может быть достигнуто посредством добавления одного или нескольких ускоряющих сегментов 41, ..., 45 или ускоряющих модулей 41, ..., 45. При этом по меньшей мере один из этих ускоряющих модулей 41, ..., 45 может быть выполнен так, что он имеет повторно закрывающийся вакуумный клапан 531. Ускоряющие модули 41, ..., 45 могут дополнительно содержать вакуумные уплотнения с одной стороны или с двух сторон. Это имеет то преимущество, что отдельные дефектные ускоряющие модули 41, ..., 45 могут быть простым образом заменены и/или повторно использованы с помощью того, что дефектная трубка 10 посредством повторно закрывающегося вакуумного клапана 531 девакуумируется, дефектный ускоряющий модуль 41, ..., 45 заменяется новым и/или функционирующим, и трубка 10 снова вакуумируется с помощью соответствующего вакуумного насоса через повторно закрывающийся вакуумный клапан 531. Также важно отметить то, что электроды 20/30/423/433/443 ускоряющего модуля 41, ..., 45 могут содержать экран 412,...,415 для подавления потока рассеянных электронов к изоляционному керамическому элементу 51 (фиг.6/13). Это имеет то преимущество, что экраны образуют дополнительную защиту для изоляционных керамических элементов 51. Вместе с тем могут быть дополнительно увеличены срок службы рентгеновской трубки и/или разности потенциалов между отдельными ускоряющими электродами 20/30/423/433/443. Простая и модульная конструкция рентгеновской трубки согласно изобретению является особенно подходящей для способа изготовления одноэтапным методом, или эта конструкция делает только лишь одноэтапный способ эффективным. При этом происходит пайка всей трубки 10 в одностадийном процессе вакуумной пайки. Это имеет, в том числе, то преимущество, что заключительное вакуумирование рентгеновской трубки 10 посредством высоковакуумного насоса может быть исключено. Дополнительным преимуществом одноэтапного способа, т.е. одностадийного способа изготовления посредством общей пайки трубки в вакууме (одноэтапный метод), является в том числе то, что имеется единственный процесс изготовления, а не три, как в традиционном: 1. Узловая пайка. 2. Узловая сборка (например, пайка или сварка). 3. Откачивание трубки посредством вакуумного насоса. Одностадийный способ изготовления является поэтому экономически более эффективным, более времясберегающим и более дешевым. Одновременно при этом способе в случае соответствующего технологического процесса удается минимизировать загрязнение трубки. Тем не менее, может быть предпочтительным, когда трубка уже в значительной степени свободна от загрязнений, что, как правило, минимизирует диэлектрическую прочность изоляционных керамических элементов. Требования к вакуумной герметичности для трубок 10 являются при одноэтапном способе в большинстве случаев такими же самыми, как при многоступенчатом способе изготовления. Так как поля внутри трубки 10 много меньше, чем в случае традиционных трубок, трубка 10 согласно изобретению является дополнительно менее предрасположенной к загрязнениям и/или возникновению негерметичных мест. Это делает рентгеновскую трубку 10 согласно изобретению еще более подходящей для одноэтапного способа. Рентгеновская трубка 10 согласно изобретению может, например, также замечательно использоваться для изготовления целых систем облучения и/или отдельных устройств 60 облучения (см. фиг.12). В таком устройстве 60 облучения трубка 10 может быть установлена в корпусе 65, например, в изоляционном масле. Защитный корпус 65 может содержать окно 61 для выхода рентгеновского излучения γ. Устройство 60 облучения содержит для трубки 10 соответствующий каскад 62 высокого напряжения, например, с присоединенным к нему трансформатором 63 высокого напряжения и соединительными клеммами 64 высокого напряжения снаружи. Такие устройства 60 облучения или моноблоки 60 могут в таком случае применяться, например, для изготовления еще больших систем облучения. Естественно, для специалистов в данной области очевидно, что трубка 10 согласно изобретению без мишени или передающего анода ввиду ее простой, модульной конструкции и ее высоких мощностей также замечательно подходит для использования в качестве электронного излучателя и/или электронной пушки в соответствующих промышленных областях применения.

В случае одного варианта реализации согласно изобретению может оказаться рациональным, чтобы экраны 422/432/442 были выполнены так, что пучок электронов не «видит» плоскость 51 изолятора (фиг.13). Посредством приложения ускоряющего напряжения это можно привести к эффектам зарядки керамических изоляторов 51, которые, безусловно, не должны быть вызваны посредством рассеянной и вторичной электронной эмиссии. Посредством геометрии, изображенной на фиг.13, или подобной ей геометрии такие эффекты зарядки могут быть предотвращены или минимизированы. Покрытие на изоляционном керамическом элементе может также быть использовано, в частности, для подачи потенциала, если снаружи на изоляторы нанесен, например, подходящий проводящий слой, так что этот слой действует как делитель напряжения. Относительно вакуумированной внутренней полости подходящее покрытие могло бы также заменить металлические электроды 423/433/443. Это повлекло бы за собой то, что не было бы больше экрана, такого как на фиг.13. В качестве варианта реализации было бы возможно, например, нанести спиральный слой на внутреннюю (вакуумную) сторону изоляционного керамического элемента 51, который действует как делитель напряжения и в результате заменяет металлические электроды 423/433/443.

Использование: для генерации рентгеновского излучения высокой интенсивности. Сущность: заключается в том, что рентгеновская трубка (10) имеет анод (20) и катод (30), расположенные в вакуумированной полости (40) противоположно друг другу, причем на катоде (30) генерируются электроны (е^-), посредством прикладываемого высокого напряжения они ускоряются к аноду (20), и посредством этих электронов (е^-) на аноде (20) генерируется рентгеновское излучение (γ), причем рентгеновская трубка (10) содержит несколько дополняющих друг друга ускоряющих модулей (41, ..., 45), каждый ускоряющий модуль (41, ..., 45) содержит по меньшей мере один потенциалонесущий электрод (20/30/423/433/443), первый ускоряющий модуль (41) содержит катод (30) с извлечением электронов (е^-), а второй ускоряющий модуль (45) содержит анод (20) с генерированием рентгеновского излучения (γ), при этом рентгеновская трубка (10) содержит по меньшей мере один дополнительный ускоряющий модуль (42, ..., 44) с потенциалонесущим электродом (423/433/443), причем ускоряющий модуль (42, ..., 44) для ускорения электронов является сколь угодно часто повторяющимся образом подключаемым последовательно, и при этом рентгеновская трубка (10) выполнена модульной. Технический результат: получение рентгеновского излучения очень высокой мощности при одновременном выполнении очень малых размеров рентгеновской трубки, а также возможность замены отдельных дефектных деталей рентгеновской трубки без необходимости замены всей рентгеновской трубки за счет модульного характера исполнения рентгеновской трубки. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Рентгеновская трубка (10), в которой анод (20) и катод (30) расположены в вакуумированной полости (40) противоположными друг другу, причем на катоде (30) генерируются электроны (е^-), посредством прикладываемого высокого напряжения они ускоряются к аноду (20) и посредством этих электронов (е^-) на аноде (20) генерируется рентгеновское излучение (γ), причем рентгеновская трубка (10) содержит несколько дополняющих друг друга ускоряющих модулей (41, ..., 45), каждый ускоряющий модуль (41, ..., 45) содержит по меньшей мере один потенциалонесущий электрод (20/30/423/433/443), первый ускоряющий модуль (41) содержит катод (30) с извлечением электронов (е^-), а второй ускоряющий модуль (45) содержит анод (20) с генерированием рентгеновского излучения (γ), при этом рентгеновская трубка (10) содержит по меньшей мере один дополнительный ускоряющий модуль (42, ..., 44) с потенциалонесущим электродом (423/433/443), причем ускоряющий модуль (42, ..., 44) для ускорения электронов является сколь угодно часто повторяющимся образом подключаемым последовательно, и при этом рентгеновская трубка (10) выполнена модульной.2. Рентгеновская трубка (10) по п.1, в которой разность потенциалов между соответствующими двумя потенциалонесущими электродами (20/30/423/433/443) соседних ускоряющих модулей (41, ..., 45) для всех ускоряющих модулей (41, ..., 45) является постоянной, причем конечная энергия ускоренных электронов (е^-) является целочисленно кратной энергии ускоряющего модуля (41, ..., 45).3. Рентгеновская трубка (10) по п.1, в которой по меньшей мере один из ускоряющих модулей (41, ..., 45) имеет повторно закрывающийся вакуумный клапан (531) и/или с одной стороны или с двух сторон имеет вакуумные уплотнения.4. Рентгеновская трубка (10) по п.2, в которой по меньшей мере один из ускоряющих модулей (41, ..., 45) имеет повторно закрывающийся вакуумный клапан (531) и/или с одной стороны или с двух сторон имеет вакуумные уплотнения.5. Рентгеновская трубка (10) по любому из пп.1-4, в которой ускоряющие модули (41, ..., 45) содержат цилиндрический изоляционный керамический элемент (53).6. Рентгеновская трубка (10) по п.5, в которой изоляционный керамический элемент (53) имеет высокоомное внутреннее покрытие.7. Рентгеновская трубка (10) по п.5, в которой изоляционный керамический элемент (53) имеет ребристую внешнюю структуру.8. Рентгеновская трубка (10) по п.6, в которой изоляционный керамический элемент (53) имеет ребристую внешнюю структуру.9. Рентгеновская трубка (10) по любому из пп.1-4 и 6-8, в которой анод (20) содержит мишень для генерирования рентгеновского излучения, а также окно (201) для выхода рентгеновского излучения.10. Рентгеновская трубка (10) по п.5, в которой анод (20) содержит мишень для генерирования рентгеновского излучения, а также окно (201) для выхода рентгеновского излучения.11. Рентгеновская трубка (10) по любому из пп.1-4, 6-8 и 10, в которой анод (20) содержит передающий анод, причем этот передающий анод снаружи замыкает вакуумированную полость (40).12. Рентгеновская трубка (10) по п.5, в которой анод (20) содержит передающий анод, причем этот передающий анод снаружи замыкает вакуумированную полость (40).13. Рентгеновская трубка (10) по п.9, в которой анод (20) содержит передающий анод, причем этот передающий анод снаружи замыкает вакуумированную полость (40).14. Рентгеновская трубка (10) по любому из пп.1-4, 6-8, 10, 12 и 13, в которой электроды (20/30/423/433/443) ускоряющих модулей (41, ..., 45) содержат экран (412, ..., 415) для подавления потока рассеянных электронов к изоляционному керамическому элементу (51).15. Рентгеновская трубка (10) по п.5, в которой электроды (20/30/423/433/443) ускоряющих модулей (41, ..., 45) содержат экран (412, ..., 415) для подавления потока рассеянных электронов к изоляционному керамическому элементу (51).16. Рентгеновская трубка (10) по п.9, в которой электроды (20/30/423/433/443) ускоряющих модулей (41, ..., 45) содержат экран (412, ..., 415) для подавления потока рассеянных электронов к изоляционному керамическому элементу (51).17. Рентгеновская трубка (10) по п.11, в которой электроды (20/30/423/433/443) ускоряющих модулей (41, ..., 45) содержат экран (412, ..., 415) для подавления потока рассеянных электронов к изоляционному керамическому элементу (51).18. Рентгеновская трубка (10) по п.14, в которой по меньшей мере один из электродов (423/433/443) и/или экранов (412, ..., 415) имеет сферически или конически выполненные концы для снижения или минимизации превышения поля на соответствующем электроде (423/433/443) и/или экране (412, ..., 415).19. Рентгеновская трубка (10) по любому из пп.15-17, в которой по меньшей мере один из электродов (423/433/443) и/или экранов (412, ..., 415) имеет сферически или конически выполненные концы для снижения или минимизации превышения поля на соответствующем электроде (423/433/443) и/или экране (412, ..., 415).20. Система (60) облучения, причем эта система (60) облучения содержит по меньшей мере одну рентгеновскую трубку (10) по любому из пп.1-19 с каскадом (62) высокого напряжения для обеспечения питания рентгеновской трубки (10).21. Способ изготовления рентгеновской трубки (10) по любому из пп.1-19, отличающийся тем, что рентгеновскую трубку (10) изготавливают в одностадийном процессе вакуумной пайки.