МИНИАТЮРНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК H01J35/02 

Изобретение относится к рентгеновской технике, в частности к миниатюрным маломощным рентгеновским излучателям, и может быть использовано для создания устройств экспрессной диагностики и локального воздействия - в медицине, технике, быту.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Искусственные источники рентгеновского излучения (рентгеновские излучатели, далее - излучатель, прибор) состоят из вакуумного баллона (далее - баллон), имеющего окно для вывода излучения, термоэлектронного или автоэлектронного катода для эмиссии электронов (далее - катод), управляющего электрода для управления потоком электронов (далее - электрод), анода для торможения электронов и создания рентгеновского излучения, характерного для выбранного материала анода (далее - анод).

Известны и наиболее широко применяются варианты излучателей - рентгеновские трубки. Характерным для них являются большие габаритные размеры, большие уровни потоков и энергии рентгеновского излучения, большие потери потребляемой электроэнергии, почти полностью превращаемой в тепло. Рентгеновские трубки, как правило, применяются в стационарных громоздких хорошо защищенных рентгеновских аппаратах.

Важными задачами развития рентгеновской техники являются уменьшение габаритных размеров, потребляемой мощности и поражающих воздействий (вредности), повышение коэффициента полезного действия (КПД) рентгеновских излучателей. В связи с этим известно большое число вариантов конструкций, например: рентгеновская трубка с автокатодом (патент RU 2248643); рентгеновская трубка с взрывоэмиссионным катодом (патент RU №2308781); рентгеновская трубка с отражательной мишенью (патент RU 2237944); устройство для генерации мягкого рентгеновского излучения (патент RU 2193828); рентгеновский магнетронный излучатель (RU 2286615); рентгеновская трубка с изменением размера фокусного пятна (патент RU 2328790); острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка (патент RU 2479883); рентгеновские излучатели с СВЧ-резонатором (патент RU 2190282, патент RU 2286615).

Все эти варианты в основном решают задачу повышения КПД устройств. Все они рассчитаны на применение в стационарной защищенной аппаратуре. При этом не решается важная для практики задача комплексного уменьшения габаритных размеров, потребляемой мощности и поражающих воздействий таким образом, чтобы пользователь, например, мог взять излучатель в руки и воспользоваться им с максимумом для своих удобств - экспрессности контроля, локальности воздействий, быстрой и наглядной управляемости свойствами излучения и его воздействия.

По технической сути рассматриваемых устройств решение указанной задачи возможно на пути изменений конструкций элементов, способов возбуждения (благодаря управлению электронным потоком) и вывода рентгеновского излучения.

Описание и критика прототипа

Известна миниатюрная (диаметр 12 мм, длина 24 мм) импульсная рентгеновская трубка [1], выбранная как прототип предлагаемому в заявке, содержащая металлический корпус с прострельной мишенью и окном для вывода рентгеновского излучения, катод и внутренний изолирующий элемент, отличающаяся тем, что мишень прострельного типа отделена от окна и крепится во внутренней полости трубки с помощью двух цилиндрических колец, соединенных с корпусом, так, что величина зазора между мишенью и катодом выполнена в пределах соотношений от 1:20 до 1:5 к наружному диаметру катода, а изолирующий элемент выполнен в виде стеклянного кольца, имеющего зуб и паз.

Сущность изобретения прототипа состоит в том, что миниатюрная импульсная рентгеновская трубка, работающая при импульсных напряжениях порядка 100 кВ длительностью 1,5·10^-10 с, сконструирована таким образом, что за счет выбранных соотношений между зазором катод-мишень и наружным диаметром катода достигается низкий импеданс трубки, обеспечивающий высокие амплитуды электронного тока в трубке (более 10 кА). Рентгеновская трубка работает в режиме, близком к короткому замыканию.

Прототип имеет ряд существенных недостатков, а именно:

1. Выбранный режим питания импульсами напряжения 100000 В длительностью 0,15·нс если и может быть практически обеспечен, то за счет создания сложной, дорогой, громоздкой аппаратуры. При этом проблемой является и передача таких импульсов по кабелю к трубке, отделенной большим расстоянием от питающего аппарата.

2. То, что рентгеновская трубка работает в режиме, близком к короткому замыканию, означает отсутствие возможности управления параметрами ее излучения. Какое-то минимальное управление возможно за счет изменений параметров импульса напряжения и состояния катода. То есть можно считать, что в принятом варианте прототипа управляющий электрод совмещен с катодом.

3. То, что мишень прострельного типа отделена от окна и крепится во внутренней вакуумной полости трубки с помощью двух цилиндрических колец, приводит к увеличению размера трубки, усложнению конструкции, потерям рентгеновского излучения и полному отсутствию конвективного отвода тепла от мишени. Основное тепло в трубке, как хорошо известно, выделяется на мишени. Тонкая (10 мкм) титановая фольга при этом, если выдержит нагрев и не разрушится, будет сильно накалена, излучая энергию и нагревая все элементы конструкции.

4. Выбранный прямонакальный катод в виде полого цилиндра с наружным диаметром 1-4 мм из тонкой танталовой фольги, разогреваемой до высоких температур, будет отдавать тепло в виде излучения всем элементам конструкции и разогревать корпус.

Кроме этих недостатков можно отметить и другие, описанные как критика рассматриваемого патента 2160480 в заявке на патент [2] и приводимые ниже без текстовых изменений:

«К недостаткам такой рентгеновской трубки следует отнести: низкий срок службы из-за плохого теплоотвода с анода и неэффективной работы газопоглотителя, малый угол раскрыва диаграммы направленности рентгеновского излучения, так как корпус рентгеновской трубки закрывает ее фокус, а окно удалено от мишени и имеет форму плоскости. Окно рентгеновской трубки выполнено из материала, обладающего свойствами газопоглотителя (титана).

Однако в результате того, что окно отделено от мишени материалом с низкой теплопроводностью, температура окна недостаточна для обеспечения эффективного газопоглощения в процессе работы прибора. Этот недостаток ограничивает долговечность и ухудшает рентгенотехнические характеристики».

Таким образом, основными недостатками конструкции прототипа являются:

- удаленность в расположении мишени от анода,

- неэкономичный катод,

- отсутствие элементов для управления параметрами рентгеновского излучения.

Обоснование идеи и целей заявки

Указанные недостатки устраняются в предлагаемом варианте данной заявки благодаря следующему комплексу элементов конструкции и способов управления ими:

- тонко-плоской конструкции стеклянного баллона с переменными толщиной и составом стенок;

- совмещению мишени и анода в виде пленки, расположению анода непосредственно на выходном окне, переменным (подбираемым) составу и структуре анода-мишени;

- использованию автоэмиссионного катода порошковой структуры, расположенного на проводящей пленке газопоглотителя и максимально разгруженного по режиму питания;

- введению в конструкцию управляющего электрода тонкой микрокапиллярной стеклопластины,

- наличию (за счет конструкции) возможности расширения режимов питания, в том числе постоянным напряжением, и управления параметрами рентгеновского излучения в широких пределах.

Идея заявки заключена в том, чтобы за счет оптимального варианта конструкции и управления свойствами ее элементов максимально снизить нагрузку по питанию всех элементов, уменьшить паразитные потери рентгеновского излучения, снизить до предельного уровня рабочее рентгеновское излучение, управляя им в широких пределах.

Так же, как и в случае прототипа, основополагающая идея заявляемого варианта заключается в стремлении максимально уменьшить отношение величины зазора между мишенью и катодом к наружному диаметру катода. Конструкция прототипа обеспечивает это отношение в пределах от 1:20 до 1:5. Для заявляемого варианта это отношение будет меньше - не хуже от 1:30 до 1:10. Такой прибор будет более эффективным в режимах прототипа, но более важно, что он позволит обеспечить более простой режим питания - постоянным напряжением и упростить изготовление прибора и блока его питания, обеспечить более высокие требования по безопасности. Суть идеи самой конструкции излучателя сводится к тому, чтобы иметь плоский вариант типа таблетки с экстремально малым отношением расстояния между катодом и анодом (толщины таблетки) к диаметру катода и анода (диаметру таблетки).

Эти цели достигаются следующим образом

- 1. За счет размещения мишени, анода и окна в едином конструктиве и варьирования состава и структуры анода.

Это позволяет минимизировать объем их размещения, эффективно отвести тепло от мишени, максимально сблизить излучающую мишень и вход в коллимирующую линзу. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно, так как это позволяет максимально эффективно сконцентрировать и направить рентгеновское излучение с малыми потерями в пространственных промежутках между элементами конструкции. При этом используется решение, позволяющее подбирать материал и структуру катода-мишени для обеспечения управляемости излучением в широких пределах его свойств.

- 2. За счет использования автоэмиссионного катода плоской конструкции большой площади, совмещенного с пленкой газопоглотителя.

При этом используется оригинальное решение по структуре и материалу катода, позволяющее резко снизить рабочее напряжение, токи эмиссии и тем самым решить хорошо известную проблему повышения стабильности и долговечности работы катода.

- 3. За счет использования управляющего электрода, конструктивно и электрически совмещенного с микроканальной пластиной (МКП).

Это позволяет в широких пределах регулировать величину тока и тем самым управлять интегральной энергией рентгеновского потока, уровнями тепловыделения и фонового рентгеновского излучения в пространство. МКП эффективно разделяет зоны полей анода и катода, устраняя их взаимное влияние и позволяя иметь режим независимости тока катода от напряжения на аноде. МКП служит отражателем рентгеновского излучения, не позволяя ему воздействовать на катод и проникать за пределы устройства. Благодаря этому в определенном выше соотношении зазор/диаметр можно считать зазором меньшее расстояние. Кроме того, МКП выполняет дополнительные сервисные функции - поглощает продукты выделений с катода и анода в процессе формирования и работы прибора.

Все эти моменты позволяют иметь конструктивное исполнение излучателя в виде плоской стекловакуумной таблетки небольшой толщины (много меньшей ее диаметра). Преимущества этого исполнения заключаются в следующем:

- образуемая за счет конструкции плоская одномерная (вдоль перпендикуляра к плоскости) структура рентгеновского излучения создает условия для его большей направленности в сторону окна и практической невозможности выхода за пределы прибора через его узкие боковые элементы;

- плоская структура катода и анода позволяет уменьшить удельные (на единицу площади) электронные и рентгеновские нагрузки на их поверхность, что важно для надежности работы прибора;

- плоская структура прибора позволяет легко стыковать его с коллимирующей линзой для концентрированного вывода рентгеновского излучения и защитить от проникновения рентгеновского излучения из прибора наружу;

- стеклянный баллон позволяет прибору иметь хорошие изолирующие свойства несущего корпуса, избегать электронных утечек внутри рабочего объема, сравнительно просто и надежно обеспечить вакуумную герметизацию и контактирование выводных электродов к рабочим элементам; кроме того, благодаря изменениям сорта (состава) стекла и его толщины можно менять уровень проникающего рентгеновского излучения из прибора наружу.

Конструкция рентгеновского излучателя

Схема конструкции в поперечном разрезе приведена на фиг.1. Прибор включает:

1, 2, 3 - вакуумплотный стеклобаллон, состоящий из плоских стекол-крышек - анодного (окна) 1 и катодного 2, боковой свинцово-стеклянной стенки 3;

4 - газопоглотитель;

5 - катод;

6 - микроканальная пластина (МКП);

7 - электрический вывод от катода;

8 - электрод - сетка катодная с электрическим выводом;

9 - электрод - сетка анодная с электрическим выводом;

10 - электрический вывод от анода;

11 - анод.

Описание элементов конструкции излучателя

Вакуумплотный стеклобаллон, состоящий из стекол-крышек - анодного (окна) 1 и катодного 2, боковой стенки 3.

Баллон состоит из двух плоских стекол-крышек (например, обычного оконного стекла) - анодного 1 и катодного 2, склеенных низкоплавким свинцовым стеклом 3. Анодное стекло является одновременно и окном для пропускания рентгеновского излучения. Толщины анодного и катодного стекол выбираются по конкретным обстоятельствам, например катодное - толстое (например, более 1 мм, для лучшей защиты от проникновения рентгеновского излучения наружу), анодное, как окно - тонкое (например, менее 1 мм, для лучшего прохождения излучения). Свинцовое стекло боковой стенки 2 может быть большой ширины (например, 1-5 мм) для лучшего обеспечения защиты от проникновения рентгеновского излучения из прибора наружу. Технологически стенки создаются нанесением стеклопасты с последующей термообработкой при склеивании (спекании) баллона.

Газопоглотитель 4

Газопоглотитель 4 выполнен в виде микропленки геттерирующего и электропроводящего материала. Такие материалы и технологии их нанесения хорошо известны. Например, известны микропленочные геттеры на основе Zr-V-Fe толщиной от 50 мкм до 100 мкм, которые обеспечивают газопоглощающую способность порядка 10⁶ Па·л/м² [3]. Им свойственна низкая температура активации - около 400°C. Активация (обезгаживание) происходит при герметизации (склейке) и обезгаживании баллона.

Катод 5 и электрический вывод от катода 7

Катод 5 - автоэмиссионная порошковая структура, нанесенная на пленку проводящего материала 4, нанесенную на крышку 2. Электрический вывод от катода 7 - провод или плющенка из металла, стыкованного по КТР со стеклом (например, ковар). Пленкой проводящего материала является пленка-газопоглотитель 4.

Материал и структура (размеры и плотность нанесения порошка) автоэмиссионного катода выбираются из условий обеспечения стабильности и долговечности его работы и минимума питающего напряжения.

Проблема обеспечения стабильности и долговечности работы автокатодов является общеизвестной и до сих пор не решенной до конца [4].

Принципиальной для обеспечения пространственно-временной стабильности автоэмиссии является величина нагрузки на катод - величины напряжения и тока. Наиболее эффективным способом решения этой задачи является резкое уменьшение величин тока эмиссии, то есть создание условий для режимов очень слабой автоэмиссии. В этом случае приходится использовать канал усиления тока, не связанный с эмиссией. В заявке это обеспечивается использованием микроканальной стеклопластины МКП 6.

Резкое снижение напряжения питания катода возможно благодаря использованию нанопорошков материалов узкозонных полупроводников [5].

Микроканальная пластина (МКП) 6

Вид поперечного разреза МКП показан на фиг.2. МКП в излучателе присоединяется электрически и механически к одной или обеим сеткам 8, 9.

Известно, что эффект усиления электронного потока происходит в каналах микроканальных структур [6]. Микроканальные структуры представляют собой соты, образованные большим числом микроканалов - микрокапилляров с внутренней полупроводящей поверхностью. Ось капилляров слабо наклонена к плоскости пластины. Когда налетающий электрон попадает в канал, из его стенки выбиваются вторичные электроны, которые ускоряются электрическим полем, созданным напряжением, приложенным к концам канала. Вторичные электроны летят по своим параболическим траекториям, пока не попадут на стенку, в свою очередь, выбивая еще большее количество электронов. Этот процесс по мере пролета вдоль канала повторяется много раз, формируя электронную лавину. Коэффициент усиления в канале g определяется соотношением: g=exp (G·(L/d), где G - коэффициент вторичной эмиссии, который зависит от свойств материала стенок канала и приложенного напряжения, L и d - длина и диаметр канала. Отношение L/d у стандартных МКП в пределах 100. Коэффициент усиления потока электронов - 10²-10³. Это свойство и используется в излучателе для усиления и управления потоком электронов.

В России налажено производство МКП [7] специально для целей усиления электронного потока с параметрами: диаметр пластинок - 10-50 мм, толщина - 0,2-0,5 мм, диаметр каналов - до 10 мкм.

МКП в заявленном варианте прибора можно использовать и для обеспечения газопоглощения. Она имеет большую поверхность капилляров так, что даже самые тонкие (наноразмерные) покрытия сыграют заметную роль в процессе поглощения газов внутри баллона при его изготовлении и при работе прибора. Известны такие газопоглотители [3] - использованием напыления пленки церия Zr или платины Pt на подложки и стандартного процесса по изготовлению структурированного нанопленочного геттера толщиной от нескольких нанометров до субмикронов возможно обеспечить газопоглощающую способность около 10⁴ Па·л/м².

Геометрические параметры и составы покрытий поверхности капилляров МКП подбираются под конкретные требования излучателя.

Электрод - сетка катодная с электрическим выводом 8

Электрод - сетка 8 - стандартная сетка, например, из нержавеющей стали с параметрами, выбираемыми конкретно в производстве изделия. Электрический вывод от сетки - провод или плющенка из металла, стыкованного по КТР со стеклом (например, ковар).

Электрод - сетка анодная с электрическим выводом 9

Электрод - сетка 9 - стандартная сетка, например, из нержавеющей стали, с параметрами, выбираемыми конкретно в производстве изделия. Электрический вывод от сетки - провод или плющенка из металла, стыкованного по КТР со стеклом (например, ковар).

Анод 11 и электрический вывод от анода 10

Анод 11 представляет собой пленку переменной структуры и переменного состава - электропроводящего подбираемого материала. Толщина должна быть больше глубины проникновения электронов (порядка нескольких микрон). Пленка может быть из легкого (например, углерод, алюминий), тяжелого (например, золото), смесового материала. Пленка может быть в виде отдельных зон разного материала, например полосок, или иметь несколько слоев разного материала.

Электрический вывод от анода 10 - провод или плющенка из металла, стыкованного по КТР со стеклом (например, ковар).

Описание работы излучателя

Заявляемый рентгеновский излучатель работает следующим образом.

При подаче напряжений между электродами 7 и 8, 8 и 9, 9 и 10 происходит эмиссия электронов из катода 5 и усиление их потока в МКП 6. Вылетающие из МКП электроны разгоняются полем анода 11 и попадают на него, где они материалом анода тормозятся и излучают рентгеновские кванты. Рентгеновское излучение анодной пленки происходит во всех направлениях (неравномерно). Основная часть излучения проникает через крышку-окно 1 наружу прибора, другая - попадает на МКП 6 и, отражаясь от нее, также проходит через окно наружу прибора, что увеличивает величину полезного выхода излучения.

Излучатель работает как вакуумный четырехэлектродный прибор. Он работоспособен и как трехэлектродный прибор - одна из сеток может быть отключена. Варианты подключения сеток и режимы питания определяются из конкретных условий применений материалов и режимов работы элементов прибора.

Баллон 1, 2, 3 обеспечивает вакуумную герметичность рабочего объема, защиту от паразитной утечки рентгеновского излучения и от электрического воздействия на пользователя. Окно 1 сделано из тонкого стекла легких материалов (кремний, кислород, натрий), которое хорошо пропускает рентгеновское излучение и тепло от анода.

Газопоглотитель 4 обеспечивает необходимое состояние вакуума в рабочем объеме. Кроме того, может быть использован дополнительный газопоглотитель, нанесенный в виде нанопленки на поверхность микрокапилляров, имеющих относительно (к площади сечения МКП) большую площадь покрытия.

Автоэмиссионный катод 5 благодаря плоской конструкции и управлению нагрузкой обеспечивает малую величину удельной нагрузки, относительно малые значения напряжения и малые значения потребляемой мощности, что обеспечивает его высокую стабильность, долговечность и надежность в работе. Кроме того, применение такого катода позволяет иметь короткоимпульсный режим работы, в отличие, например, от обычных термокатодов.

Анод 11 в виде пленки большой площади позволяет иметь самые разные вариации свойств излучения и их управляемости по мощности, длине волны, расходимости. Кроме того, такая структура позволяет иметь в широких пределах величины удельной электрической и тепловой нагрузки, а значит, управлять долговечностью работы прибора и длиной волны излучения с ее изменениями в одном приборе, что повышает его функциональные возможности. Совмещение в единой конструкции анода, мишени и окна позволяет максимально приблизить анод к катоду и тем самым уменьшить соотношения (зазор мишень-катод)/(диаметр катода), анод к элементу рентгеновской оптики, что улучшает пространственные характеристики поля рентгеновского излучения и теплоотвода.

Управляющий электрод в виде двух сеток и расположенной между ними тонкой МКП позволяет:

- усилить электронный поток, что снижает нагрузки на катод;

- управлять его величиной в широких пределах, в том числе и независимо от напряжений на аноде и катоде;

- отражать в сторону окна рентгеновское излучение и не допускать его к катоду, что важно для нормального режима его работы;

- поглощать (при необходимости) газ для повышения и стабилизации вакуума;

- отражать и поглощать атомарные продукты реактивного выделения в технологическом процессе формирования внутренней структуры элементов прибора (в основном, газопоглотителя).

При этом МКП работает как хороший электрический разделитель зон взаимного влияния полей катода и анода, позволяя тем самым обеспечить режимы постоянства тока или напряжения или режим коротких импульсов.

Важным параметром для работы высоковольтных вакуумных приборов, к которым относится заявленный излучатель, является электрическая прочность вакуумного промежутка и шунтирующих поверхностей элементов. Она определяет самый важный параметр в работе рентгеновских излучателей - рабочее напряжение на аноде. От этого также зависит выбор отношения величины зазора между мишенью и катодом к диаметру катода.

Электрическая прочность вакуумного промежутка с необработанными электродами составляет порядка 10⁴ В/см. Промежутки с электродами, прошедшими механическую, химическую или электрическую обработки, показывают прочность до 10⁶ В/см [8]. Для случая заявленного варианта, который должен изготавливаться в условиях гигиены электронного производства, можно принять значение 10⁵-10⁶ В/см. Это означает, что предлагаемый излучатель будет работоспособен при напряжениях U_A до 50 кВ, что является вполне приемлемым для приборов рассматриваемого класса. При этом конструкция будет работоспособной при минимально возможных значениях соотношений (зазор мишень-управляющий электрод (катод)/(диаметр катода) - от 1/30 до 1/10.

Исходя из этого, необходимо выбрать варианты по величине зазора анод-управляющий электрод. Это могут быть следующие значения:

- 1 мм для варианта U_A до 10 кВ,

- 2 мм для варианта U_A до 25 кВ,

- 3 мм для варианта U_A до 50 кВ.

При диаметре рабочей камеры излучателя, например, 30 мм «работающее» в данном варианте отношение величины зазора между анодом и МКП к размеру (диаметру) МКП будет, соответственно, 1/30, 1/15, 1/10.

Важным для рассматриваемого класса приборов является тепловой режим их работы. В заявленном варианте источником тепла является в основном тонкая пленка анода. Тепло от нее распространяется диффузно в тонкую крышку-окно и через нее в оптический элемент, плотно контактируемый с этой крышкой. Такая структура является эффективным теплоотводом. Кроме того, часть выделяемого тепла анода отводится за счет излучения в пространство и элементы прибора, нагревая его. Это тепло уходит в корпус, который может быть выполнен с обеспечением высокой эффективности отвода тепла.

ПРИМЕР КОНКРЕТНОГО ВАРИАНТА

На практике должна быть создана серия излучателей единой конструкции и технологии изготовления, отличающихся свойствами элементов прибора и режимами их управления, под конкретные применения. Благодаря конструктивно-технологической простоте прибора это может быть сделано сравнительно дешево. При этом в каждом конкретном случае тонкие доводки под условия использования будут проводиться за счет изменений характера (постоянный, импульсный, смешанный) режима питания и его параметров.

Важным в работе рассматриваемого варианта рентгеновского излучателя является его высокая аппаратурная адаптация благодаря его миниатюрности и плоской конструкции. Он может быть легко корпусирован пластмассой и стыкован с рентгеновской оптикой. Использование рентгеновской оптики (например, линз Кутахова) существенно улучшает характеристики и параметры работы миниатюрного излучателя, принципиально предназначенного для воздействий локального характера.

Конструкция излучателя допускает возможность настройки его свойств под конкретные условия применения за счет управления длиной волны рентгеновского излучения. Одним из наиболее распространенных на практике является метод получения контраста изображения просвечиваемого объекта за счет использования зависимости коэффициента поглощения материала объекта от длины волны рентгеновского излучения. Для подбора свойств излучения достаточно изменять материалы и геометрическую структуру пленки анода, напряжение на аноде.

Для демонстрации этого можно рассмотреть конкретный пример варианта, приближенного к реальным условиям применения. Таким вариантом выбран прибор, оптимальный по своим свойствам для применений в медицине.

В последнее время все большее распространение в медицинской практике получают методы и аппаратура, основанные на преобразовании рентгеновского изображения в видимое с последующим его либо наблюдением пользователем, либо фотоэлектронным преобразованием в цифровой видеокамере. При этом применяются методы и аппаратура топографирования, что, в частности, позволяет иметь мало безвредные для пациента условия. При этом оптимальным является миниатюрный рентгеновский излучатель с коллимированным пучком излучения, которое получается благодаря пристыкуемому к излучателю оптическому элементу. Пусть для определенности размер площади сечения пучка для облучения объекта 1 см². Обычно в рентгеновской трубке рентгеновский поток формируется на мишени электронным потоком реальной мощностью не более 100 Вт. Рентгеновский поток приходится на реальную площадь исследуемого объекта не более 0,1 м². Делая перерасчет на плотность излучения, можно получить, что потребляемая анодом рассматриваемого варианта (площадь анода примерно 1 см²) мощность в один ватт достаточна с большим запасом. Из опыта работы на автоэмиссионных минидисплеях [4], нагрузка на пленочный анод на стеклянной подложке в 1 Вт/см² вполне приемлема.

Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 кэВ, что соответствует излучению с длиной волны, соответственно, от 10 до 0,005 нм [9]. Длина волны (нм) и энергия фотонов (эВ) характеристического рентгеновского излучения (поглощения) для ряда интересных в рассматриваемом случае атомов:

C¹² - 3,8 нм/ 260 эВ; O¹⁶ - 2,4/ 400; AL²⁶ - 0,9/1100; Ca⁴⁰ - 0,5/2000; Cu⁶⁴ - 0,15/7000. Для уверенного процесса рентгеновского излучения анодами из этих материалов требуются энергии электронов не менее: C¹² - 1 кВ; AL²⁶ - 3 кВ; Ca⁴⁰ - 6 кВ; Cu⁶⁴ - 20 кВ.

С точки зрения рентгеновского поглощения основные атомы живых организмов - углерод C¹², кислород O¹⁶, кальций Ca⁴⁰. Углерод и кислород - легкие атомы, пропускающие излучение с длинами волн, более или менее характеристической. Поэтому желательно использовать в качестве источников аноды из углерода. Ткани пациента будут хорошо пропускать это излучение, а кости - нет. Для анализа костей желательно использовать источники с анодом из титана, самого близкого к кальцию по атомному номеру. Для анализа тканей и костей вместе можно использовать аноды из алюминия, расположенного в ряду элементов между углеродом и кальцием. В конструкции предлагаемого излучателя возможно изготовление анодов из смесей этих материалов.

Напряжение на аноде в рассматриваемом случае будет порядка 5 кВ. Для обеспечения мощности электронного потока порядка 1 Вт необходимо будет иметь ток порядка 0,2 мА. Тогда ток эмиссии катода примерно 2 мкА. По плотности этот ток - не более 10 мкА/см². Это - очень низкая нагрузка для катода [4].

Таким образом, из этих оценок следует такой вариант излучателя:

- внутренние размеры: диаметр - 15-20 мм, зазор между анодом и катодом - 1,5-2 мм;

- материал анода: послойно пленки алюминия и углерода, общая толщина пленок порядка 1 мкм;

- диапазон величин напряжений на аноде: 2-12 кВ;

- диапазон величин анодного тока: 0,2-2 мА.

ОЖИДАЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЙ

Разработки, производство и продажи компактной мобильной рентгеновской аппаратуры - важное активно развивающееся направление. К настоящему времени этим занимается достаточно большое число фирм, среди которых можно привести некоторые:

- ITALRAY (Италия).

http://vitams.ru/catalog/rentgenologiya/.

Продажи - «Миниатюрный рентгеновский аппарат "Модуль-50"» в компании АВМ-СИСТЕМС (Москва),

http://www.bnti.ru/des.asp?itm=1402&tbl.

- EcoRay Co., Ltd. (Корея). Ecoray 1040HF - рентген-аппарат палатный переносной (портативный). Ecoray 1060HF - переносной цифровой ветеринарный рентген-аппарат.

http://www.tiaramed.ru/Peredvizhnye-i-palatnye-apparaty/1040HF-perenosnoyi-rentgen.html.

- ООО "Вектор НК", Екатеринбург, Челябинск. Переносные рентгеновские аппараты серии SMART - http://nk-industry.ru/produktsiya-i-uslugi/rgk/device/smart.

В аппаратах этих фирм, так же как и в основной широко известной рентгеновской аппаратуре, применены стандартизованные острофокусные рентгеновские трубки малого и среднего уровня излучаемой мощности с фокусировкой электронного луча до размеров (на поверхности мишени) порядка 0,1-1 мм. Величины ускоряющего напряжения и тока в электронном сфокусированном луче, соответственно, 10-100 кВ и 1-00 мА. Обычно используемые варианты материала мишени - тяжелые металлы - W, Мо, Cu, Ag. Используются мишени как отражательного, так и прострельного типов.

Использование острофокусных рентгеновских трубок создает известные трудности для аппаратуры, которую компактной, мобильной и надежной можно считать лишь условно (габариты - до метра, вес - более 5 кг, реальная долговечность трубки - порядка 1000 часов).

Цель данной заявки - создать вариант, который позволит иметь аппарат «карманного» типа, весом не более нескольких сот грамм. При этом сама излучающая дистанционно отъемная головка должна позволять брать ее в руки оператора и производить свободные манипуляции по его усмотрению. Для этого излучатель должен иметь ряд обязательных свойств, которые и ожидаются от использования данной заявки:

- вес (вместе с линзой) - несколько десятков грамм,

- максимально низкое напряжение - 5-15 кВ,

- максимально низкая потребляемая мощность (аппаратом) - не более 100 Вт,

- неразрушаемая мишень (долговечность - более 10000 часов),

- ничтожная мощность потребления катодом,

- управляемость рентгеновским излучением в широком диапазоне свойств - энергия потока, угол расходимости, длина волны, характер излучения (мягкое, жесткое), расположение в пространстве, наглядность воздействия,

- широкий диапазон режимов питания - непрерывный, импульсный с большим диапазоном по скважности, абсолютная защищенность оператора от излучений и высокого напряжения.

Все эти свойства получаются благодаря плоской тонкой конструкции прибора, которая принципиально не позволяет иметь фокусировку электронного потока. Это, однако, создает свои трудности. Их преодоление требует дополнительного решения двух побочных задач:

- применения рентгеновской микрооптики (например, на базе миниатюрных микроканальных структур),

- применения миниатюрного экспрессного визуализатора.

Эти задачи принципиально решены в практике применений рентгеновской аппаратуры, но потребуют доработки под условия стыковки с предлагаемым излучателем.

Заявленный миниатюрный рентгеновский излучатель предназначен для использования в портативной аппаратуре с полуавтоматическим или ручным управлением. При использовании микрооптики, напрямую стыкованной с ним, он способен заменить многие типы существующих рентгеновских трубок. При этом будут обеспечены преимущества по габаритам, энергопотреблению, расширению пределов длительности импульсов питания, пределам управляемости параметрами излучения, стабильности и долговечности работы.

Применение заявленного излучателя позволит создать новое направление применений рентгеновской аппаратуры - экспрессный контроль различного рода дефектов и легко управляемое локализованное воздействие на объект в любых условиях применений, в том числе и в быту.

Для примера можно привести следующее. Пользователь берет в руки миниатюрную рентгеновскую головку, как фонарик, приставляет его к объекту с одной его стороны, прикладывает пластинку-визуализатор с другой, включает портативный аппарат питания и на пластинке визуально наблюдает картину состояния объекта. При этом движениями головки он добивается понятной картины этого состояния. В другом примере, врач наводит через тонкую люминесцирующую пленку излучение локально на определенное место и дает дозу излучения. При этом по «расплывчатости» картинки он видит степень локализации излучения в трех координатах и управляет им в нужное место, под нужным углом и т.д.

Источники информации

1. Миниатюрная импульсная рентгеновская трубка. Патент РФ №2160480. Классы патента: H01J 35/00, H01J 35/02, H05G 1/02. Номер заявки: 99116887/09. Дата подачи заявки: 02.08.1999. Дата публикации: 10.12.2000. Заявители (патентообладатели): Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии. Авторы: Лойко Т.В.; Макеев Н.Г.; Павловская Н.Г.; Тресков С.М.; Юткин М.П.

2. Импульсная рентгеновская трубка. Патент РФ №2459307. Класс патента H01J 35/00. Дата подачи заявки: 07.06.2011. Начало действия патента: 07.06.2011. Дата публикация патента: 20.08.2012. Заявитель (патентообладатель): Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма" (RU). Авторы: Меркулов Б.П., Самородов В.Г.

3. http://www.ntsr.info/science/library/2944.htm

4. Абаньшин Н.П., Горфинкель Б.И., Якунин А.Н. Исследование механизма ионного нагружения острийных эмиттеров автоэмиссионных структур // Письма в ЖТФ. 2006, Т.32, В.20, с.52-59.

5. Жуков Н.Д., Глуховской Е.Г., Браташов Д.Н. Исследование фото-, автоэлектронной эмиссии в нанозернах антимонида и арсенида индия // Нанотехника. - 2013. - Вып.1, с.51-57.

6. http:zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/024.pdf,

http://www.hep.by/gnu/nuclphys/experiment/detectors/images/mic_ch_p101.gif

7. http://www.ru.all.biz/mikrokanalnye-plastiny-bgg1080825

8. Сливков И.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме, М., 1986.

9. ru.wikipedia.org/wiki/Рентгеновское_излучение.

Изобретение относится к рентгеновской технике, в частности к миниатюрным маломощным рентгеновским излучателям, и может быть использовано для создания устройств экспрессной диагностики и локального воздействия в медицине, технике, быту. Излучатель выполнен как стеклянный баллон вида таблетки, состоящий из двух стеклянных крышки-окна и крышки, склеенных вакуумплотно по краю низкоплавким свинцовым стеклом. Внутри баллона мишень и анод совмещены и выполнены в виде плёнки электропроводящего подбираемого материала, нанесённого на окно-крышку. Катод выполнен как автоэмиссионный катод в виде покрытия порошкового материала на плёнку газопоглотителя, нанесённого на крышку. Управляющий электрод выполнен в виде двух металлических сеток с расположенной между ними микроканальной стеклопластиной. Управляющий электрод усиливает поток эмитированных из катода электронов и отражает рентгеновское излучение со стороны катода к аноду. Технический результат - увеличение полезного выхода рентгеновского излучения; уменьшение электрических нагрузок на анод и катод и, как следствие, увеличение долговечности и стабильности работы прибора; расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения безвредности окружающей среде. 2 ил.

Миниатюрный рентгеновский излучатель, содержащий вакуум-герметичный корпус с окном для вывода рентгеновского излучения, прострельную мишень, анод, катод, управляющий электрод между анодом и катодом, подводящие к аноду, катоду и управляющему электроду напряжение, электрические выводы, газопоглотитель, отличающийся тем, что: корпус выполнен как стеклянный баллон формы плоско-параллельной таблетки, включающий стеклянную крышку-окно толщиной менее одного миллиметра и стеклянную крышку толщиной более одного миллиметра, склеенных вакуумплотно по краю-периметру полосой низкоплавкого свинцового стекла, широкой более двух миллиметров; мишень, анод и крышка-окно выполнены в единой конструкции - мишень и анод совмещены и выполнены в виде пленки в один и более слоев, состоящей из электропроводящего материала, включающего легкий, тяжелый или смесовый металлы, нанесенного на крышку-окно; газопоглотитель и катод выполнены в единой конструкции на крышке - газопоглотитель выполнен как электропроводящее микропленочное покрытие под катодом, катод выполнен в виде порошкового покрытия автоэмиссионного материала на пленке газопоглотителя; управляющий электрод выполнен как две металлические сетки с расположенной между ними микроканальной стеклопластиной, присоединенной механически и электрически к одной или обеим сеткам, которая имеет на поверхности каналов нанотолщинное покрытие газопоглотителя; причем поперечные размеры анода, катода, сеток, микроканальной стеклопластины одинаковы и близки к внутреннему размеру баллона.