Катод рентгеновской трубки Российский патент 2023 года по МПК H01J35/06 

Изобретение относится к области вакуумной техники и может быть использовано в различных электровакуумных приборах для поддержания высокого вакуума.

Известен катод рентгеновской трубки, который содержит катодную чашку, блок эмиттера, состоящий из двух токовводов и закрепленного на них эмиттера, изоляторы. Каждый изолятор выполнен составным из керамической втулки и металлического фиксатора, размещенного на одном из торцов керамической втулки. Свободная часть керамической втулки размещена в посадочном месте, выполненном в катодной чашке для каждого изолятора. Крепление изолятора в катодной чашке осуществляется методом зачеканивания. Токовводы эмиттера установлены в изоляторах и фиксируются методом лазерной сварки с металлическими фиксаторами, или контактной сваркой, или обжимом, а в качестве материала металлического фиксатора может быть использована или медь, или никель, или титан, или их сплавы. Патент RU № 2530533, H01J 35/16, H01 J 35/18, 21.02.2013.

Недостатком этой конструкции является сложность, низкая функциональность, ненадежность и высокая стоимость ее сборки и регулировки положения эмиттеров. Припаивание металлического фиксатора к керамической втулке является сложной, дорогой и трудоемкой задачей, поскольку пайка производится либо активным припоем в вакууме, либо металлизированной керамики в среде водорода. Зачеканивание - это расплющивание металла при локальном приложении силы, например посредством удара. При зачеканивании в зоне деформации кольцевого паза прикладывается сила, деформирующая металлический паз, но возникающие в зоне деформации напряжения передаются на керамическую втулку. Керамика является хрупким материалом, которому противопоказаны ударные нагрузки из-за его возможного разрушения. Для фокусировки эмиттеров требуется точное их позиционирование и фиксация в установочных пазах. Зачеканивание приведет к продольному сдвигу изоляторов, что изменит фокусировку рентгеновской трубки, и приведет к снижению ее технических характеристик. Операции зачеканивания изоляторов в катодной чашке и сварки или обжима токовводов и втулки, исключают возможность разборки катода в случае надобности и, следовательно, повышают процент брака. Кроме этого, в данной конструкции не предусмотрена регулировка зазора между катодным узлом и анодом рентгеновской трубки при ее окончательной сборке. Точное соблюдение зазора влияет на технические характеристики рентгеновских трубок, особенно, если они имеют металлокерамическое исполнение. Кроме того, одним из существенных недостатков катода является то, что его полезный объем не используется для размещения геттерного элемента и, соответственно, катод лишен функции газопоглощения и длительного поддержания рабочего вакуума в рентгеновской трубке.

Известен геттерный элемент для электровакуумного прибора (патент РФ № 2379780, H01J 7/18, 20.01.2010), который может быть размещен в катоде рентгеновской трубки, при котором на поверхность газопоглотителя из пористого геттерного вещества, помещенного в вакуумный сосуд, наносят несплошную металлическую пленку, что позволяет защитить поверхность геттерного элемента от выделения частиц, ухудшающих вакуум, и активировать геттерный элемент за счет нагрева металлической пленки путем пропускания электрического тока.

Недостатком устройства с геттерным элементом является использование электрического нагрева металлической пленки для активации пористого геттерного вещества. Чтобы осуществить подведение тока нагрева к геттерному элементу размещенному внутри вакуумной оболочки, необходимо предусмотреть на вакуумной оболочке рентгеновской трубки вакуумноплотные электрические вводы, что значительно усложняет и удорожает конструкцию рентгеновской трубки, а также повышает процент брака при их изготовлении. Также следует отметить, что нагрев и активирование геттера посредством пропускания тока через несплошную металлическую пленку неэффективен для широкого ряда геттеров, например, цельнометаллических.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является катод рентгеновской трубки, состоящий из катодной чашки, фокусирующего электрода, эмиттеров, размещенных в установочных пазах катодной чашки и закрепленных на токовводах, причем токовводы установлены в керамических втулках, а керамические втулки размещены в посадочных местах, выполненных в катодной чашке, при этом между внешней поверхностью катодной чашки и внутренней поверхностью фокусирующего электрода выполнен кольцевой полый канал, сообщающийся с установочными пазами катодной чашки, а в кольцевом полом канале размещен геттер, выполненный в виде кольца из активного газопоглощающего металла или кольца из пористого газопоглотителя. При этом геттер также может быть выполнен в виде пористых вставок, совмещенных с установочными пазами катодной чашки (Патент RU № 2775545, H01J 35/20; H01J 9/395; H01J 7/18, 04.07.2022).

Недостатком известного устройства является относительно малый объем геттера, ограниченный объемом полого кольцевого паза, а также не полное использование газопоглощающего потенциала геттера, поскольку его активирование нагревом от эмиттеров наиболее эффективно производится в зоне совмещения установочных пазов катодной чашки с кольцевым полым каналом. Не в полной мере используется тепло выделяемое на эмиттерах, поскольку тепловые потоки для активирования геттеров ограничены геометрией установочных пазов и, следовательно, не в полной мере реализовано использование полезного внутреннего объема катода для размещения геттера.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является эффективное использование теплоты эмиттеров для реализации процесса высокотемпературного обезгаживания геттера, увеличение емкости сорбции геттера и, соответственно, увеличение времени сохраняемости рабочего вакуума в рентгеновской трубке, а также упрощение конструкции катода рентгеновской трубки за счет совмещения функций его деталей.

Указанная задача решается тем, что предложен:

1. Катод рентгеновской трубки, состоящий из катодной чашки, фокусирующего электрода, эмиттеров, размещенных в установочных пазах катодной чашки и закрепленных на токовводах, установленных в керамических втулках, размещенных в посадочных местах, выполненных в катодной чашке отличающийся тем, что катодная чашка изготовлена из неиспаряемого металлопористого газопоглощающего материала.

2. Катод рентгеновской трубки по п.1, отличающийся тем, что катодная чашка снабжена одним или несколькими элементами из не газопоглощающего материала.

3. Катод рентгеновской трубки по п.2, отличающийся тем, что в качестве не газопоглощающего материала используется металл, керамика или стекло.

Катодная чашка служит не только для размещения и позиционирования эмиттеров, токовводов, фокусирующего электрода и т.д., но и выполняет функцию геттера.

На фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4 представлены чертежи, иллюстрирующие заявленное техническое решение, где:

- фиг.1 - схематически представлена конструкция двухфокусного катода рентгеновской трубки с катодной чашкой из металлопористого материала;

- фиг.2 - схематически представлен разрез по плоскости А-А катода с катодной чашкой из металлопористого материала;

- фиг.3 - схематически представлена конструкция двухфокусного катода рентгеновской трубки с катодной чашкой, снабженной элементом в виде металлической подложки, причем профильная часть катодной чашки изготовлена из неиспаряемого металлопористого газопоглощающего материала.

- фиг.4 - схематически представлен разрез по плоскости Б-Б катода с катодной чашкой, снабженной элементом в виде металлической подложки, причем профильная часть катодной чашки изготовлена из неиспаряемого металлопористого газопоглощающего материала.

Конструкция рентгеновской трубки, в частности из-за особенностей ее электронно-оптической системы (ЭОС) генерирования рентгеновского излучения, может содержать катод, который имеет значительные размеры. В этом случае, с целью более эффективного использования теплоты эмиттеров для реализации процесса высокотемпературного обезгаживания геттера путем оптимизации процессов теплопередачи в катоде и сохранения прочности геттера, катодная чашка может быть снабжена металлическим, стеклянным или керамическим элементом в виде, например, подложки, кронштейна, проставки и т.д

Катод рентгеновской трубки содержит изготовленную из неиспаряемого металлопористого газопоглощающего материала катодную чашку 1 с установочными пазами 2, эмиттеры 3, токовводы 4, керамические втулки 5, разрезные металлические муфты 6, стопорные винты 7, фокусирующий электрод 8.

Катодная чашка 1 может быть снабжена, например, подложкой 9 из не газопоглощающего материала, выполненного из металла, керамики или стекла и профильной части 10 изготовленной из неиспаряемого металлопористого газопоглощающего материала, на которых выполнены установочные пазы и посадочные места. Фокусирующий электрод 8 совмещен с катодной чашкой 1 посредством резьбового соединения 11.

Пример. Разработан и изготовлен катод металлокерамической рентгеновской трубки, в котором катодная чашка сформирована путем 3D печати методом послойного селективного лазерного спекания металлического газопоглощающего порошка (Кривилев М.Д., Харангиевский Е.В., Гордеев Г.А., Анкудинов В.Е. «Управление лазерным спеканием металлических порошковых смесей», журнал «Управление большими системами: сборник трудов», выпуск №31/2010, с. 229-322., В.А.Левин, К.М.Зингерман, К.Ю.Крапивин, О.А.Рябова, А.В.Кукушкин «Модель формирования микроструктуры материала при селективном лазерном спекании с учетом больших упругопластических деформаций», Ученые записки Казанского университета. 2019, Т.161, кн. 2, с. 191-204).

В качестве металлического порошка использовался порошок сплава титан - ванадий (ПТФ ТУ 14-1-4699-2003), который соответствует их соотношению 70:30, вес.%. Среднеарифметический размер гранул которого составляет 60 мкм. Послойное лазерное спекание производилось в инертной газовой среде с использованием установки 3D - моделирования EOS M 290 с рабочей областью построения 250×250×215 мм. Использовался иттербий-волоконный лазер (Yb-fiber) с диаметром пучка 100 мкм и длиной волны в диапазоне 1000-1100 нм. Путем подбора рабочих параметров спекания была получена металлопористая геттерная структура с объемной сквозной пористостью 45-50%. Ввиду высокой пористости, металлопористая геттерная структура обладает не высокой прочностью. Для повышения прочности катодной чашки, послойное лазерное спекание титан-ванадиевого металлического порошка было произведено на титановой подложке, которая выполняет роль армирующего элемента и повышает прочность и долговечность металлопористой геттерной структуры. Достигнуто равномерное распределение пор в объеме материала. Металлокерамическая рентгеновская трубка с установленным на нее катодом при испытании подтвердила паспортные технические характеристики.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет создать простой по конструкции и недорогой в производстве катод рентгеновской трубки, обеспечивающий повышение емкости сорбции геттера за счет увеличения его объема и активной поверхности и, соответственно, увеличить время сохраняемости рабочего вакуума рентгеновской трубки. Увеличение времени сохраняемости вакуума является одним из факторов, увеличивающих ресурс рентгеновской трубки.

Изобретение относится к области вакуумной техники и может быть использовано в различных электровакуумных приборах для поддержания высокого вакуума. Технический результат - возможность эффективно использовать теплоту эмиттеров для реализации процесса высокотемпературного обезгаживания геттера, увеличение емкости сорбции геттера, увеличение времени сохраняемости рабочего вакуума в рентгеновской трубке, упрощение конструкции катода рентгеновской трубки за счет совмещения функций его деталей. Катод рентгеновской трубки состоит из катодной чашки из неиспаряемого металлопористого газопоглощающего материала, фокусирующего электрода, эмиттеров, размещенных в установочных пазах катодной чашки и закрепленных на токовводах, установленных в керамических втулках, размещенных в посадочных местах, выполненных в катодной чашке. Катодная чашка может быть снабжена одним или несколькими элементами металла и керамики. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Катод рентгеновской трубки, состоящий из катодной чашки, фокусирующего электрода, эмиттеров, размещенных в установочных пазах катодной чашки и закрепленных на токовводах, установленных в керамических втулках, размещенных в посадочных местах, выполненных в катодной чашке, отличающийся тем, что катодная чашка изготовлена из неиспаряемого металлопористого газопоглощающего материала.

2. Катод рентгеновской трубки по п.1, отличающийся тем, что катодная чашка снабжена одним или несколькими элементами из негазопоглощающего материала.

3. Катод рентгеновской трубки по п.2, отличающийся тем, что в качестве не газопоглощающего материала используется металл, керамика или стекло.