Способ и устройство для скоростного исследования протяженных объектов, находящихся в движении, с помощью частотных импульсных источников рентгеновского излучения и электронных приемников излучения Российский патент 2020 года по МПК B07C5/34 G01N23/04 

Изобретение относится к способам как для получения проекционного рентгеновского изображения так и возбуждения вторичного излучения и к рентгеновским аппаратам, а именно, к рентгеноскопическим, рентгенографическим и рентгеноспектральным аппаратам для промышленного применения, в частности, к рентгеновским устройствам для радиометрической сепарации минерального сырья и обогащения полезных ископаемых.

Одной из востребованных областей применения источников рентгеновского излучения является радиометрическая сепарация минерального сырья, позволяющая проводить обогащение исходной горной массы.

В настоящее время существует несколько способов сепарации минерального сырья, основанных на облучении минерального сырья ионизирующим излучением, в результате чего происходит как изменение характеристик первичного излучения, так и возбуждение различных видов вторичного ионизирующего, либо неионизирующего излучения, что позволяет сепарировать облучаемые материалы в зависимости от их физических свойств.

Известен способ и устройство, реализующее разделение дробленого минерального материала, содержащего люминесцирующие под воздействием ионизирующего излучения минералы, на обогащаемый и хвостовой продукты [патент РФ № 2517613, В07С, 5/342, опубл. 27.05.2014 г.]. Рентгенолюминесцентный сепаратор содержит средство транспортировки сепарируемого материала, источник импульсного ионизирующего рентгеновского излучения, фотоприемное устройство для регистрации люминесценции, задатчик пороговых значений интенсивности сигнала люминесценции и пороговых значений параметров разделения, блок синхронизации, устройство цифровой обработки сигнала люминесценции. Устройство также содержит исполнительный механизм и приемники обогащаемого минерала и хвостового продукта.

Недостатком данного способа является невозможность детектирования и сепарирования люминесцирующих минералов, расположенных как внутри вмещающей породы, так и люминесцирующих минералов, находящихся на грани куска исходной породы, отвернутой от детектора фотоприемного устройства, поскольку возбуждаемое в процессе люминесценции оптическое излучение обладает малой проникающей способностью. В результате чего, требуется проведение повторного дробления до более малого класса по крупности исследуемой фракции, с целью обеспечения гарантированного выхода грани люминесцирующего минерала на поверхность вмещающей породы, после чего минерал становится возможно обнаружить. Это ведет к высоким энергозатратам, поскольку объем исходной вмещающей породы не сокращается, а стоимость и длительность каждого этапа измельчения возрастает с уменьшением размера получаемой фракции. Кроме того, данная операция сопровождается измельчением не только пустой горной массы, но и искомых минералов, что крайне нежелательно в случае сепарации самоцветов, алмазов и других подобных кристаллов. Например, для гарантированного обнаружения алмазов размером до 1 мм, на обогатительных фабриках применяется последовательное дробление горной массы до фракции -50,0 мм, -25,0 мм, -12,5 мм, -6,0 мм, -3,0 мм и -1,0 мм. Таким образом, поскольку содержание алмазов в кимберлите редко превышает 5 карат/тонну, приходится 6 раз последовательно измельчать 1 тонну кимберлита для добычи 1 грамма алмазов. То есть, фактически, для сепарации 1 грамма алмаза данным методом требуется измельчить 6 тонн исходной руды. Также недостатком способа и устройства является значительное количество ложных срабатываний, поскольку вмещающая порода может содержать как искомые, так и малоценные рентгенолюминесцирующие материалы. Так в алмазоносных породах такими малоценными материалами являются кальциты и цирконы. Кроме того, период следования импульсов излучения длительностью 0,5 мс в данном устройстве равен 4 мс. Такой период следования импульсов, с учетом размера площади регистрирующего фотоприемного детектора, позволил достигнуть скорости перемещения исследуемого материала не более 3 м/с.

Известно устройство, применяемое для реализации способа, описанного выше и приведенного в патенте РФ № 2517613, В07С, 5/342, опубл. 27.05.2014 г., предназначенное для генерации рентгеновского излучения в импульсном режиме [Источники питания с импульсным выходом – основа рентгенолюминесцентных сепараторов.
Владимиров Е. Н., Казаков Л. В., Лебедева О. К. (НПП «Буревестник», ОАО) // I Всероссийская научно-практическая конференция производителей рентгенов-
ской техники. Программа и материалы конференции. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ
«ЛЭТИ», 2014. С. 7-8].

Недостатком данного устройства является применение рентгеновского аппарата с термоэмиссионными рентгеновскими трубками серии БХВ. Данные трубки имеют термоэмиссионный катод протяженностью всего 110 мм. Поскольку интенсивность рентгеновского излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от фокусного пятна, то для получения поля рентгеновского излучения относительно равной интенсивности в плоскости детектора, что необходимо для работы системы регистрации данного устройства, приходится ограничивать ширину потока исследуемого материала до 400 мм, что снижает производительность устройства. Кроме того, максимальный ток трубки ограничен значением 330 мА, что возбуждает люминесценцию низкой интенсивности и заставляет, как использовать высокочувствительные фотоэлектронные умножители ФЭУ-85 или R-6094 (Hamamatsu) для регистрации этого свечения, так и ограничивать скорость перемещения исследуемого материала через зону облучения и регистрации.

Известен способ, реализующий разделение минерального материала, содержащего флюоресцирующие под воздействием ионизирующего излучения минералы [патент РФ № 2372611, G01C, 23/223, опубл. 10.11.2009 г.]. Сущность заключается в том, что анализируемый материал облучают рентгеновским излучением, измеряют интенсивности рентгеновских флуоресцентных линий определяемых элементов и рассчитывают его состав по измеренным интенсивностям, поскольку каждый химический элемент обладает своим характеристическим спектром рентгеновского излучения, причем энергия каждой определенной линии спектра (К, L, M, N) возрастает с увеличением атомного номера элемента.

Недостатком данного способа является невозможность детектирования и сепарирования минералов, расположенных внутри вмещающей породы, либо находящихся на грани куска исходной породы, отвернутой от детектора приемного устройства, поскольку возбуждаемое в процессе флюоресценции характеристическое излучение обладает малой эффективной энергией и, как следствие, малой проникающей способностью. Например, энергия самой жесткой L-линии для свинца (атомный номер Z=82) составляет 88 кэВ, для кальция (Z=20) равняется 4 кэВ, а для более легких элементов, таких как бериллий (Z=4), натрий (Z=11) всего лишь 0,05-0,87 кэВ. Проникающая способность такого излучения в горных породах и рудах очень мала (от 0,5-1,0 мм до 1-1,5 см). Кроме того, обычные счетчики Гейгера не фиксируют характеристическое излучение такой энергии и для регистрации применяются пропорциональные или сцинтилляционные детекторы (Nal+Tl), которые в состоянии регистрировать излучение с энергией не менее 0,5 кэВ. В результате невозможно разделить излучение близких по атомному номеру элементов, из-за низкой разрешающей способностью по энергии у сцинтилляционных детекторов [Головин К.Б. и др. Ядерная геофизика. Учебное пособие. — Саратов: СГУ, 2014. — 140 с.]. Таким образом, согласно «Инструкции по проведению геофизических исследований рудных скважин МПР РФ от 6 декабря 2000г.» методы, использующие характеристическое излучение, применимы только  оценки полезных компонентов или вредных примесей, представленных элементами, имеющими порядковый атомный номер Z от 22 (титан) до 83 (висмут), у которых характеристическое излучение находится в пределах 4-90 кэВ, что исключает данный метод для определения, например, углерода Z=6, входящего в алмаз, бериллия Z=4, входящего в изумруд, и многих других элементов, характерных для горных пород. Кроме того, необходимость многократного измельчения добытой горной массы сохраняется при рентгенофлюоресцентном способе, как и при использовании рентгенолюминесцентного способа сепарации.

Известны способ сепарации частиц полезного материала и устройство для его осуществления [патент РФ №2517148, МПК В03В 13/00 (2006.01), приоритет 28.12.2012 г., опубл. 27.05.2014 г], включающий облучение анализируемого материала пучком первичного рентгеновского излучения, регистрирование проникающего рентгеновского излучения, сравнение сигнала с пороговым значением и выделение частицы полезного материала по результатам сравнения. Анализируемый материал облучают на ленте движущегося транспортера плоскопараллельным пучком первичного рентгеновского излучения с расходимостью не более 0,1°, поперечное сечение которого меньше размера частиц полезного материала. После чего регистрируют интенсивность проходящего проникающего рентгеновского излучения позиционно-чувствительным детектором. При этом координату X положения частицы на ленте транспортера определяют позиционно-чувствительным детектором, а координату Y определяют исходя из скорости ленты транспортера. Способ осуществляется с помощью устройства, содержащего рентгено-оптически связанные источник первичного излучения, коллиматор первичного излучения и детектор.

Недостатком данного способа и устройства является требование формирования веерного пучка излучения, поперечное сечение которого меньше размера частиц полезного материала. Поскольку минимальный размер интересующих алмазов и самоцветов равняется 1,0 мм, то необходимо формировать рентгеновский пучок поперечным сечением менее 1,0 мм, что является технически трудно разрешимой задачей. Кроме того, селективность и достоверность сепарации для алмазного сырья недостаточна, так как алмазы могут находиться в потоке материала, направляемого на сепарацию, в нераскрытом виде, при этом не существует надежного способа различить включенный алмаз от нароста или выемки на частице пустой породы с помощью позиционно-чувствительного детектора.

Известны устройство и способ двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии [Рентгенографические сепараторы НПП «Буревестник»
Жогин И. Л., Романовская Т. Е., Никитин И. М. (НПП «Буревестник»)// II Всероссийская научно-практическая конференция производителей рентгенов-
ской техники. Программа и материалы конференции. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ
«ЛЭТИ», 2015. С. 64-68], реализующий облучение руды рентгеновским излучением с энергией 40кэВ и 52 кэВ с помощью рентгеновского аппарата постоянного тока с термоэмиссионной рентгеновской трубкой, и последующим получением проекционного рентгеновского изображения с помощью линейного фотодиодного детектора с ячейкой 0,4 мм и сепарацию минералов по коэффициенту ослабления излучения.

Недостатком данного способа и устройства является невозможность сепарации минералов в непрерывно двигающейся по конвейеру горной массы с линейной скоростью более 0,1 м/с. Термоэмиссионный способ получения свободных электронов в рентгеновской трубке, требующийся для получения двух определенных значений энергии излучения равных 40 кэВ и 52 кэВ, накладывает ограничения на максимальный ток трубки, связанный с предельно допустимым значением тока накала термоэмиссионного катода. Превышение тока накала приводит к перегоранию нити накала и выходу трубки из строя. На сегодняшний день не удалось создать рентгенографическую термоэмиссионную рентгеновскую трубку с анодным током значением более 0,5 ампера. В результате, необходимая для работы линейного фотодиодного детектора доза на уровне 1-2 мкЗв/кадр в плоскости входного окна детектора генерируется аппаратом с термоэмиссионной трубкой за время не менее 5 мс. За такое время, при скорости перемещения исследуемого объекта 0,1 м/с, объект переместится на 0,5 мм, что равняется 50% размера минералов, представляющих интерес при сепарации самоцветов и алмазов, следовательно, рентгеновское изображение будет полностью смазанным, что сделает невозможным однозначно выделить алмаз на фоне окружающей породы. Таким образом, получение проекционного изображения минералов размером 1,0 мм, находящихся в движении со скоростью более 0,1 м/с, является трудно реализуемым, из-за токовых ограничений термоэмиссионных источников рентгеновского излучения.

Ближайшим аналогом заявляемого способа и устройства является способ импульсной наносекундной рентгеновской регистрации быстропротекающих процессов путем подключения предварительно заряженного конденсатора с помощью газового коммутатора к взрывоэмиссионной рентгеновской трубке и формирования импульса излучения высокой мощности [Пальчиков Е.И. Рентгеновская аппаратура и методики для диагностики динамических процессов в многофазных средах: дис. д.т.н. Новосибирск. Учреждение РАН Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН. 2009 г.]. В данном способе используется явление взрывной электронной эмиссии, и облучение объекта исследования производится единичным импульсом рентгеновского излучения наносекундной длительности, доза которого достаточна для выполнения полного цикла регистрации приемником излучения. Анодный ток трубки при взрывной электронной эмиссии достигает значений нескольких сот ампер, а пиковая мощность, при напряжении 100 кВ превышает 10 МВт, что позволяет получать дозу, необходимую для работы приемников излучения, за один импульс длительностью менее 100 наносекунд. Таким образом, достигается регистрация динамически подвижных систем с высокой геометрической резкостью. Так, при движении объекта со скоростью 1 м/с его перемещение при экспозиции 100 нс составит 0,1 мкм, что обеспечивает получение изображения объекта миллиметрового размера с достаточной геометрической резкостью.

Недостатком данного способа является способ формирования импульса излучения высокой мощности: путем подключения емкостного накопителя энергии к рентгеновской трубке с помощью электрического разряда наносекундной длительности, требующейся для возникновения эффекта взрывной электронной эмиссии, в среде газа высокого давления. Поскольку при прохождении разряда в газовой среде происходит ионизация газа и образование плазмы в канале разряда, то требуется время на рекомбинацию плазмы и восстановление электрической прочности промежутка, что существенно ограничивает частоту следования импульсов. Так в устройстве аппарата ПИР 100/240, используемого для достижения результата данным способом, используется отпаянный газовый разрядник-обостритель высокого давления типа Р-43, Р-48. В результате, частота следования импульсов не превышает 4 Гц при работе в продолжительном режиме. Таким образом, исследуемый объект при скорости движения 0,1 м/с за время, равное периоду следования импульсов, 250 мс, проходит 25 мм, что превышает зону регистрации многих электронных приемников излучений, и приводит к потере информации о значительной части исследуемого объекта. Например, ширина ячейки линейного фотодетектора, применяемого в рентгеновских сепараторах производства НПП «Буревестник» [Рентгенографические сепараторы НПП «Буревестник» Жогин И. Л., Романовская Т. Е., Никитин И. М. (НПП «Буревестник»)// II Всероссийская научно-практическая конференция производителей рентгенов-
ской техники. Программа и материалы конференции. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ
«ЛЭТИ», 2015. С. 64-68], равняется 0,4 мм, следовательно, при частоте следования импульсов 4 Гц и скорости движения конвейерной ленты всего 0,1 м/с будет получено изображение эквивалентное 1,6% площади, прошедшего через детектор объекта. Информация по 98,4% оставшейся площади объекта не будет получена. Кроме того, известны скоростные цифровые видеокамеры, обеспечивающие скорость съемки до 6600 к/с с разрешением 2048х1952 и размером пикселя 13,5 мкм, например, Phantom V2640 производства Vision Research. Таким образом, использование такой видеокамеры совместно с быстрым рентгенолюминофором, например, CsI:Tl, интенсивность послесвечения которого снижается до уровня 0,13 от интенсивности свечения в момент прекращения возбуждения люминесценции всего за 0,1 мс [Мелешко А.А. Время-разрешенная оптическая спектроскопия сцинтилляционных кристаллов CsI(Tl): дис. к.ф.-м.н. Томск. ГОУ ВПО «Томский политехнический университет». 2009 г.], позволяет создавать системы регистрации с временным разрешением до 0,15 мс. Данный способ и устройство не позволит реализовать возможности такой системы регистрации, поскольку минимальная длительность интервала между импульсами составляет 250 мс. Также напряжение срабатывания применяемого отпаянного разрядника-обострителя зависит от условий окружающей среды, продолжительности работы установки, поскольку изменение температуры газонаполненного прибора по любой из выше описанных причин ведет к изменению давления газа в замкнутом объеме и, следовательно, к изменению электрической прочности межэлектродного промежутка. Таким образом, для импульсных генераторов рентгеновского излучения с емкостным накопителем энергии и газоразрядными коммутаторами характерна нестабильность энергии излучения от импульса к импульсу, что затрудняет внедрение данного способа и устройства для автоматической обработки получаемых рентгеновских изображений. Кроме того, в данном устройстве для непосредственной генерации рентгеновского излучения используются отпаянные рентгеновские трубки серии ИМА, которые из-за особенностей конструкциине позволяют осуществить эффективный отвод тепла из зоны анода, подвергающейся электронной бомбардировке, что ограничивает как среднюю мощность трубки на уровне 100-150 Вт, так и продолжительность работы. Например, продолжительность непрерывной работы импульсных рентгеновских аппаратов серии АРИНА, использующих такой тип трубки, ограничена 15 минутами в час, после чего необходимо провести охлаждение устройства. Также электродные системы такой конструкции не позволяют получать однородное фокусное пятно размером более 5 см, что не обеспечивает формирование в плоскости детектора, удаленного от рентгеновского фокусного пятна на расстояние не более 100 см, однородного рентгеновского пучка большой площади.

Сущность изобретения.

Заявляемое устройство отличается от ближайшего аналога конструкцией взрывоэмиссионной наносекундной рентгеновской трубки, что позволило увеличить частоту следования импульсов рентгеновского излучения до 10 кГц при средней мощности более 3 кВт в электронном пучке при продолжительном режиме работы, и формировать как точечный рентгеновский фокус, необходимый для проекционных исследований, так и протяженное фокусное пятно требуемой формы и площади для получения равномерных пучков рентгеновского излучения большой площади. Данные отличительные особенности обеспечивают проведение радиометрических (рентгеновских) исследований неограниченных по длине подвижных объектов или потока материалов с помощью высокоскоростных электронных приемников различных видов излучений, имеющих цикл работы от 100 мкс и более.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в скоростном проведении радиометрических (рентгеновских) исследований 100% площади протяженных по длине, как отдельных объектов, находящихся в движении, так и потоков материалов с временным разрешением от 100 мкс и более, а также возможности генерации равномерного однородного мощного рентгеновского пучка шириной до 800 мм для возбуждения вторичного излучения различной природы.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что исследуемые и перемещающиеся в пространстве объекты, потоки материалов облучают импульсами рентгеновского излучения длительностью не более 100 нс высокой мощности путем подключения взрывоэмиссионной рентгеновской трубки к электрической цепи индуктивного накопителя энергии, в котором последовательно формируются и прерываются импульсы тока с помощью полупроводникового прерывателя, причем, доза каждого единичного импульса является достаточной для выполнения цикла работы приемником излучения, при этом максимальная скорость перемещения исследуемого объекта определяется как 5d10⁵ м/с, d – минимальный линейный размер включения, находящегося в исследуемом объекте. Для однозначного определения пространственного местоположения искомого включения или дефекта в подвижном объекте необходимо обеспечить условия, при которых перемещение такого включения за время накопления данных о нем не превышало 5% от его линейного размера в направлении его движения. В случае сепарирования алмазов и самоцветных камней интерес для последующей переработки имеют включения размером от 1 мм, таким образом, допустимое перемещение такого включения составляет не более 50 мкм. Для термоэмиссионных рентгеновских аппаратов минимальная длительность экспозиции находится на уровне единиц миллисекунд, следовательно, искомое включение не должно перемещаться на расстояние более 50 мкм за 1 мс, что накладывает ограничение на скорость передвижения материала в зоне исследования значением 0,05 м/с, тогда как типичные скорости движения материалов по конвейеру составляют единицы метров в секунду. Генерация излучения в виде импульса длительностью менее 100 нс позволяет определять пространственное местоположение искомого включения или дефекта миллиметрового размера при скорости движения последнего на уровне 500 м/с. В отличие от ближайшего способ генерации импульсов излучения отличается тем, что взрывоэмиссионная рентгеновская трубка подключается к электрической цепи индуктивного накопителя энергии, в котором последовательно формируются и прерываются импульсы тока с помощью полупроводникового прерывателя тока, что приводит к повышению частоты следования импульсов излучения до 10 кГц, поскольку для этих процессов не требуются газоразрядные коммутаторы. При этом сохраняется мегаваттный уровень пиковой мощности импульсов, а средняя выходная мощность устройства превышает 3 кВт при продолжительном режиме работы. Поскольку величина энергии, запасаемой в индуктивном накопителе, выбирается из условия получения дозы единичного импульса достаточной для полного цикла работы приемника излучения, то заявляемый способ обеспечивает исследование, определениие пространственного положения включений или дефектов, находящихся как внутри, так и снаружи двигающегося исследуемого объекта с временным разрешением от 0,1 мс (частота следования импульсов излучения 10 кГц). Например, на сегодняшний день известны скоростные цифровые видеокамеры, обеспечивающие скорость съемки до 25000 к/с с разрешением 1280х800 и размером пикселя 28 мкм, например, Phantom V2512 производства Vision Research и ренгенолюминофоры, интенсивность послесвечения которых снижается до уровня 0,13 от интенсивности свечения в момент прекращения возбуждения люминесценции всего за 0,1 мс [Мелешко А.А. Время-разрешенная оптическая спектроскопия сцинтилляционных кристаллов CsI(Tl): дис. к.ф.-м.н. Томск. ГОУ ВПО «Томский политехнический университет». 2009 г.], что позволяет создать рентгенооптические устройства типа «рентгенолюминофор-ПЗС камера» на базе этих устройств с частотой кадров до 10 кГц.

Способ реализован в устройстве, включающем в себя генератор наносекундных высоковольтных импульсов с индуктивным накопителем энергии и высоковольтным полупроводниковым прерывателем тока, взрывоэмиссионную рентгеновскую трубку с прострельным заземленным монолитным анодом, в котором мишень одновременно является самонесущим выходным окном рентгеновской трубки, и металлодиэлектрическим катодом, генерирующую импульсы рентгеновского излучения, возбуждаемых высоковольтными импульсами длительностью не более 100 нс, с частотой следования импульсов до 10 кГц и дозой единичного импульса достаточной для выполнения цикла регистрации приемником излучения, а также, непосредственно приемник излучения. Период следования импульсов излучения определяется соотношением ширины исследуемой зоны, определяемой размером применяемого приемника излучения, к скорости перемещения исследуемого материала через зону исследования, но не более длительности цикла работы детектора. Так, при использовании линейного фотодетектора с шириной ячейки 0,4 мм и скорости перемещения исследуемого объекта 3 м/с период следования импульсов достигает 0,133(3) мс, что соответствует частоте следования импульсов 7,5 кГц, а при использовании плоскопанельного детектора шириной 400 мм и скорости перемещения исследуемого объекта 30 м/с период следования импульсов достигает 13,333(3) мс, что соответствует частоте 75 Гц.

Изобретение поясняется иллюстрациями.

На Фиг.1 схематично представлено заявляемое устройство, где: 1 – генератор наносекундных высоковольтных импульсов; 2 – индуктивный накопитель энергии; 3 - полупроводниковый прерыватель тока; 4 - взрывоэмиссионная рентгеновская трубка; 5 – металлдиэлектрический катод; 6 – монолитная прострельная мишень - выходное окно (анод); 7 – рентгеновское излучение; 8 – объект исследования; 9 – подвижная подложка; 10 – электронный приемник излучения; 11 – вторичное излучение; 12 – электронный детектор вторичного излучения.

На Фиг.2 представлен электродный узел взрывоэмиссионной рентгеновской трубки заявляемого устройства, где: 6 – монолитная прострельная мишень - выходное окно (анод); 13 – диэлектрическая подложка; 14 – острие; 15 – подложка катода.

На Фиг.3 представлено рентгеновское изображение слюдита со скрытыми включениями берилла при движении со скоростью 3,0 м/с сделанное при помощи заявляемого устройства и плоскопанельного детектора VIVIX1417.

На Фиг.4 представлено рентгеновское изображение слюдита со скрытыми включениями берилла при движении со скоростью 0,10 м/с сделанное при помощи аппарата постоянного тока с длительностью экспозиции 5 мс и плоскопанельного детектора VIVIX1417.

На Фиг.5 представлено рентгеновское изображение кимберлита со скрытыми включениями при движении со скоростью 0,75 м/с сделанное при помощи заявляемого устройства и линейного детектора XV-LDA1.2/400 ShawCor Company с рентгенолюминофором Gd₂O₅:Tb и размером пикселя 0,4 мм.

На Фиг.6 представлено изображение свечение алмазов после облучения заявляемым устройством с использованием черно-белой CCD-камеры Sanyo VCB-3572IPR с объективом Ernitec F1.4 16 mm, установленной на расстоянии 50 см от алмазов.

На Фиг.7 представлено изображение свечение алмазов после облучения рентгеновским аппаратом постоянного тока с использованием черно-белой CCD-камеры Sanyo VCB-3572IPR с объективом Ernitec F1.4 16 mm, установленной на расстоянии 25 см от алмазов

Бомбардировка анода рентгеновской трубки электронным пучком в процессе генерации рентгеновского излучения вызывает интенсивный разогрев материала анода и, как следствие, испарение материала анода в межэлектродный промежуток. В свою очередь пары металла под воздействием высокого напряжения ионизируются, возникает плазма, это может привести к замыканию межэлектродного промежутка плазмой, что нарушает работу трубки, вызывает завершение генерации рентгеновского излучения и даже может вывести рентгеновскую трубку из строя. Во избежание этого, при создании трубок предусматриваются охладительные элементы, а также снижается допустимая пиковая мощность и частота следования импульсов при эксплуатации изделия. В рассматриваемом прототипе используются отпаянные рентгеновские трубки серии ИМА, имеющие металлические электроды: вольфрамовый анод, представляющий собой высоковольтный вольфрамовый стержень диаметром менее 5 мм, либо заземленный анод прострельного типа, представляющий собой мишень из вольфрама, напаянного на выходное вакуумноплотное коваровое окно трубки; катод - металлическая трубка с острозаточенным краем или тонкая металлическая шайба. Обе конструкции анода не позволяют осуществить эффективный отвод тепла из зоны анода, подвергающейся электронной бомбардировке, что ограничивает как среднюю мощность трубки на уровне 100-150 Вт, так и продолжительность работы. Например, продолжительность непрерывной работы импульсных рентгеновских аппаратов серии АРИНА, использующих такой тип трубки, ограничена 15 минутами в час при средней мощности до 150 Вт, после чего необходимо провести охлаждение устройства. Причина этого заключается в том, что для достижения малых размеров фокусного пятна трубки, необходимого при рентгенпроекционных исследованиях, анод выполнен в виде острозаточенного стержня из вольфрамового прутка диаметром не более 5 мм, находящегося под высоким напряжением. Организовать активное охлаждение зоны анода, находящегося в вакууме под напряжением более 100 кВ и подвергающегося бомбардировке импульсным электронным пучком, путем организации прокачки охлаждающей жидкости либо потока воздуха невозможно, из-за того, что диаметр анода не превышает 3 мм. Изготовление анода прострельного типа позволяет увеличить допустимую среднюю мощность, но вольфрамовая мишень в устройстве прототипе напаивается на выходное вакуумноплотное коваровое окно со стороны обращенной к катоду, что вновь приводит к затруднению при охлаждении. Перенос тепла от внутренней стороны коварового окна, на которую припаяна вольфрамовая мишень, к наружной стороне, которую возможно принудительно охлаждать, происходит только за счет теплопроводности, а теплопроводность ковара всего 17 Вт/( м К), что почти в 20 раз меньше теплопроводности меди. Кроме того, температура плавления ковара составляет 1450 °С, что снижает допустимую рабочую температуру, поскольку температура плавления вольфрама 3422 °С, и, соответственно, эффективность отвода тепла от рабочей стороны мишени. В результате, рассматриваемый прототип возможно использовать только для кратковременных исследований, исключается продолжительная работа в условиях конвейерного производства. Также электродные системы такой конструкции предназначены для получения фокусного пятна размером не более 5 мм, что не обеспечивает формирование в плоскости детектора, удаленного от рентгеновского фокусного пятна на расстояние не более 100 см, однородного рентгеновского пучка большой площади.

Практическая реализация данного способа скоростного исследования объектов, находящихся в движении, возможна только с помощью импульсных наносекундных частотных рентгеновских аппаратов, включающих генератор наносекундных высоковольтных импульсов 1 с индуктивным накопителем энергии 2, высоковольтным полупроводниковым прерывателем тока 3, взрывоэмиссионной рентгеновской трубкой 4, с прострельным заземленным монолитным анодом 6, в котором мишень одновременно является самонесущим выходным окном рентгеновской трубки, например, из танталовой фольги толщиной 200 мкм, теплопроводность тантала составляет около 60 Вт/ (м К), что в 3 раза больше, чем у ковара. Кроме того, температура плавления тантала равняется 3017 °С против 1450 °С у ковара, что с учетом снижения общей толщины выходного окна-мишени из тантала до 200 мкм позволяет организовать эффективный отвод тепла от рабочей стороны мишени. Дополнительным фактором, увеличивающим допустимую среднюю мощность, является замена составного анода на монолитный, поскольку, на границе слоев мишени анода – выходного вакуумплотного окна остаются высокие деформации, вызванные различием теплофизических, прочностных свойств материалов слоев и относительно низкой адгезией между ними. Следствием этих деформаций является нарушение контакта между слоями, что приводит к перегреву материала мишени в зоне электронной бомбардировки. Все принятые меры позволяют достигнуть величины средней мощности более 3 кВт при продолжительном режиме работы. Генерация первичного электронного пучка металлодиэлектрическим катодом 5, представляющим собой набор металлических острий 14, выступающих из основания катода 15 и плотно прилегающих к диэлектрической подложке 13, позволяет получать фокусное пятно требуемой формы и протяженности: при одноострийном катоде фокусное пятно не превышает 2,5 мм, при увеличении количества острий происходит пропорциональное увеличение площади фокусного пятна. Кроме того, отсутствие армирующих элементов выходного окна трубки позволяет получать однородный выходной пучок излучения.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При подключении генератора наносекундных высоковольтных импульсов 1 к сети питания происходит формирование импульса тока и накопление энергии магнитного поля в индуктивном накопителе 2. Далее, с помощью высоковольтного полупроводникового прерывателя 3 происходит конвертация энергии магнитного поля в энергию электрического поля, что приводит к формированию наносекундного импульса высокого напряжения. Этот импульс прикладывается к рентгеновской трубке 4, подключенной к генератору наносекундных высоковольтных импульсов 1, что вызывает процесс взрывной эмиссии электронов из катода 5 и бомбардировку анода 6 электронным пучком. В результате торможения анодом электронов, бомбардирующих его, генерируется рентгеновское излучение 7. Период следования импульсов излучения определяется соотношением ширины исследуемой зоны, определяемой размером применяемого приемника излучения 10, к скорости перемещения исследуемого материала 8 через зону исследования, но не более длительности цикла работы приемника излучения 10, при этом максимальная скорость перемещения исследуемого объекта определяется как 5d10⁵ м/с, d – минимальный линейный размер включения, находящегося в исследуемом объекте. Заземленный анод 6 прострельного типа импульсной рентгеновской трубки 4 представляет собой танталовую фольгу толщиной 200 мкм. Анод является не только мишенью для электронного пучка, но и выходным вакуумноплотным окном. Отказ от применения в конструкции трубки составного анода в котором вакуумное уплотнение осуществляется с помощью ковара, на внутреннюю поверхность которого напаивается вольфрамовая мишень, позволяет организовать эффективный отвод тепла от анода во внешнюю среду. Кроме того, благодаря механической прочности танталовой фольги в широком диапазоне температур, выходное окно рентгеновской трубки не содержит армирующей решетки в своей конструкции. Минимальный размер фокусного пятна анода такой конструкции составляет 2,5 мм, максимальный размер анода такой конструкции достигает 800 х 60 мм, что определяется количеством и расположением металлических острий металлдиэлектрического катода. Форма и размер фокусного пятна трубки прямо пропорционалены форме и размеру металлодиэлектрического катода. Таким образом, без изменения конструкции анодной части импульсной рентгеновской трубки можно получать как однородные пучки излучения длиной до 800 мм для возбуждения различных видов вторичного излучения, так и точечное фокусное пятно размером не более 2,5 мм для рентгенопроекционных исследований.

При рентгенопроекционных исследованиях рентгеновское излучение 7, после прохождения через объект исследования 8, находящийся двигающейся подложке 9 (конвейерной ленте) облучает электронный приемник излучения 10. Это приводит к формированию изображения исследуемого объекта электронным приемником излучения 10. При этом, благодаря использованию импульсов излучения длительностью менее 100 нс обеспечивается исследование объектов 7 на наличие включений или дефектов миллиметрового размера при скорости движения подложки 9 до 500 м/с. Также, рентгеновское излучение 7, при прохождения через объект исследования 8, может вызывает генерацию вторичного излучения 11, например люминесценцию алмазов, флюоресценцию различных веществ, регистрируемую соответствующим электронным детектором вторичного излучения 12. При этом, благодаря однородности пучка, обеспечивается воздействие излучением одинаковой интенсивности на объект исследования, вне зависимости от удаленности объекта от центрального луча пучка излучения. Кроме того, пиковая интенсивность пучков излучения взрывоэмиссионных рентгеновских трубок при амплитуде анодного тока до 1000 А на несколько порядков превышает пиковую интенсивность термоэмиссионных трубок, работающих при анодном токе амплитудой менее 0,5 А, что вызывает, соответственно, более интенсивное вторичное излучение и позволяет применять менее чувствительные детекторы вторичного излучения.

Пример 1. Заявленная импульсная установка с длительностью импульса излучения 35 нс и установка постоянного тока Siemens Axiom Icons200. Регистрация изображения осуществляется с помощью плоскопанельного детектора VIVIX1417 (фотодиодная матрица из аморфного кремния и рентгенолюминофором Cs:I). Объект исследования: куски слюдита толщиной 50 мм, содержащие скрытые включения берилла. Доза в плоскости приемника 2 мкГр. Сравнение получившихся изображений показывает, что при использовании наносекундного аппарат при скорости перемещения слюдита 3 м/с наблюдается четкое изображение скрытых включений. Применение рентгеновского аппарата постоянного тока при минимально возможной экспозиции и снижении скорости перемещения объекта до 0,25 м/с все равно приводит к потере геометрической резкости, разрешающей способности и искажению формы исследуемых объектов. Таким образом, анализ полученных изображений подтвердил, что использование импульсных рентгеновских аппаратов позволяет проводить исследование объектов двигающихся по конвейерной ленте со скоростями в несколько м/с, тогда как применение аппаратов рпостоянного напряжения приводит к искажению формы объектов и потери геометрической резкости, фиг.3, фиг.4.

Пример 2. Заявленная импульсная установка с индуктивным накопителем энергии, твердотельной системой формирования импульсов, частота следования импульсов 10 кГц и импульсная установка ПИР 100/240 с емкостным накопителем энергии и газовым разрядником-обострителем высокого давления, частота следования импульсов 4 Гц. Обе установки работают в мегаваттном диапазоне пиковой мощности электронного пучка c дозой единичного импульса достаточной для дозу для работы линейных приемников излучения. Приемник излучения: линейный детектор XV-LDA1.2/400 ShawCor Company с рентгенолюминофором Gd₂O₅:Tb и размером пикселя 0,4 мм. Объект исследования: кусок кимберлита длиной 50 мм и толщиной 20 мм, перемещаемые со скоростью 0,75 м/с. Изображение, полученное с помощью заявленной установки (Фиг.5), позволяет исследовать внутреннюю структуру образца и определять скрытые включения. Изображение, полученное с помощью установки, работающей на частоте 4 Гц, представляет собой одну строку шириной 0,4 мм, большая часть объекта осталась не исследованной.

Пример 3. Заявленная импульсная установка с индуктивным накопителем энергии, твердотельной системой формирования импульсов пиковой мощностью 35 МВт и установка постоянного тока Siemens Axiom Icons200 с пиковой мощностью 10 кВт в электронном пучке используются для возбуждения вторичного излучения алмазов. Интенсивность рентгенолюминесцентного свечения алмазов под воздействием заявляемой установки достаточна для его регистрации черно-белой CCD-камерой Sanyo VCB-3572IPR с объективом Ernitec F1.4 16 mm,. Интенсивность рентгенолюминесцентного свечения алмазов под воздействием установки постоянного тока, характеризуется меньшей интенсивностью, для его регистрации пришлось в два раза уменьшить расстояние от объекта до камеры (фиг.6, фиг.7).

Изобретение относится к рентгеноскопическим, рентгенографическим и рентгеноспектральным аппаратам и предназначено для получения рентгеновского изображения и возбуждения вторичного излучения, а также для радиометрической сепарации минерального сырья и обогащения полезных ископаемых. Технический эффект, заключающийся в возможности проведения скоростных радиометрических исследований 100% площадей, протяжённых по длине, как отдельных объектов, находящихся в движении, так и потоков материалов с временным разрешением от 100 мкс и более, а также в возможности генерации равномерного однородного мощного рентгеновского пуска шириной от 800 мм для возбуждения вторичного излучения различной природы, достигается за счёт того, что увеличена частота следования импульсов рентгеновского излучения до 10 кГц при средней мощности более 3 кВт в электронном пучке при продолжительном режиме работы, что позволило формировать как точечный рентгеновский фокус, необходимый для проекционных исследований, так и протяжённое фокусное пятно требуемой формы и площади для получения равномерных пучков рентгеновского излучения большой площади. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ скоростного исследования протяженных объектов, находящихся в движении, с помощью частотных импульсных наносекундных источников рентгеновского излучения и электронных приемников как первичного, так и вторичного излучения с временным разрешением от 100 мкс, при котором изменение пространственного положения исследуемого объекта за время воздействия первичного рентгеновского излучения не превышает 5% от минимального линейного размера искомого включения, отличающийся тем, что генерацию рентгеновского излучения осуществляют путем подключения взрывоэмиссионной рентгеновской трубки к электрической цепи индуктивного накопителя энергии, в котором последовательно формируют и прерывают импульсы тока с помощью полупроводникового прерывателя, с частотой следования импульсов до 10 кГц, при средней мощности более 3 кВт в электронном пучке при продолжительном режиме работы, при этом доза каждого единичного импульса достаточна для выполнения цикла работы электронным приемником излучения, период следования импульсов излучения определяют соотношением ширины исследуемой зоны, определяемой размером применяемого приемника излучения, к скорости перемещения исследуемого материала через зону исследования, но не более длительности цикла работы электронного приемника излучения, а максимальную скорость перемещения исследуемого объекта определяют как 5d10⁵ м/с, d – минимальный линейный размер включения, находящегося в исследуемом объекте.

2. Устройство для реализации способа по п.1, включающее генератор наносекундных высоковольтных импульсов, индуктивный накопитель энергии, высоковольтный полупроводниковый прерыватель тока, взрывоэмиссионную рентгеновскую трубку и электронный приемник излучения, отличающееся тем, что анод взрывоэмиссионной рентгеновской трубки представляет собой прострельную заземленную монолитную мишень, одновременно являющуюся самонесущим вакуумно-плотным выходным окном рентгеновской трубки.