Рентгеновская трубка, преимущественно для структурного анализа Советский патент 1934 года по МПК H01J35/02 

Повышение мощности рентгеновской трубки структурного анализа имеет весьма большой интерес как с точки зрения внедрения рентгенографического метода в промышленность, так и для целого ряда научных экспериментов, невыполнимых при использовании маломош,ной трубки.

Потребность в повышении мощности трубки -вытекает из необходимости значительно сократить время экспозиции при съемке структуры металла, которая при употреблении трубок мощностью 10-20 тА достигает нескольких часов, а при некоторых методах съемки (например, при точном определении параметра на задних линиях) достигает ;юрядка десятка часов. Целый же ряд эксперлментовх (как-то, при исследовании быстротекущих процессов, ис ледованиях при высоких температурах и т. д.) вообще крайне затруднителен или невыполним вовсе при длительных экспозициях.

За последние несколько лет наблюдается стремление к повышению мощности трубок для структурного анализа. В настоящее время следует считать вполне освоенными в мировой технике трубки мощностью 50-100 тА

при 25-60 kV, и в самое последнее время появились конструкции трубок мощностью до 200 шА. Из существующих конструкций мощных трубок для структурного анализа можно отметить следующие.

Электронная разборная трубка OttSelmayera была конструктивно разработана по цроекту проф. Ott механиком Мюнхенского университета SelmayeroM и опубликована в 1926 г. (Pliysikalische Zeitschrift Bd. 27, 5598). В настоян1ее время трубка серийно производится фирмой С. Н. F. Muller, А. G. в Гамбурге. Трубка представляет собой электронную металлическую разборную трубку, работающую под насосом. В соединении с 4-ступенчатым диффузионным насосом Гедэ (Gaede) трубка Ott-Selmayera работает очень спокойно при мощности в 50 шА и даже более при 20-50 kV, не требует длипредставляет

тельной тренировки н исключительное удобство при работе с различным излучением, так как позволяет быструю смену

антикатодов, трубки OttОсновным достоинством

Selmayera является применение в местах соединений уплотнений на свинцовых прокладках с затяжкой гайками вместо

раиее применявшихся соедяиепнй на шлифах. Идея приме 1е :ия вакуулюнепроницаемых уплотпопий в репггеновской трубке принадлежит Selmayery. Имеется ряд других конструкций электронных разборных трубок для структурного анализа, позволяюншх достичь примерно такой ме мощности (Phillips, Sleman).

1 Пределом дальнейшего повышения мощности рентгеновской трубки является разгар антикатода, который уже при мощности порядка 50 шА, при напряжении 20-50 kV весьма значителен для металлов с малой теплопрово дностью (Fe, Со, Ni), несмотря на интеисивное охлаждение аитик-атода проточной водой. Некоторого уменьшения разгара и увеличения срока службы антикатодов при повышенной мощности ыожно добиться нутем применения линейного фокуса.

Учитывая вышесказанное, многие авторы пошли но пути применения вращающегося антикатода. Первоначально этот принцип был применен к медицинским диагностическим трубкам. Так как для медицинских целей не требуется длительных экспозиций, то трубки «ти имели- подвин{ной антиЕйтгод, охлаждающийся лишь через теилонроводность металла антикатода -без применения во/чяного охлаждения.

Наиболее подробно подобную конструкцию разработал Боверс (Bowers) в 1929 г., который в опубликованной ИИ работе (Bowers - Eino MetallrontgenгбЬге mit drehbaren Anode-Verhandlungen d. Deutsche Rontgen Gesellschaft, Bd. 20, 1929, S 102) указал, что ряд неудачных попыток предыдущих авторов построить подобную трубку объясняется неправильным представлением о необходимой минимальной скорости вращения антикатода. Боверс в результате своих экспериментальных исследований и теоретических соображений дает формулу необходимого числа оборотов для желаемого ,увелнчения мощности трубки. Трубка Боверса имеет антикатод, приводимый во вращение ащающимся магнитным полем, создаваемым помещенной снаружи трубкой систё Гой электромагнитов. Трубка Боверса выдерживает при напряжении

в kV нагрузку в бьО-500 шА за время 0,05 сек. и 500-400 inA за время 0,2 сек. Такие гфатковремепные экспознцин не могур- удовлетворять целям структурного анализа. Для построения трубки, рассчитанной на продолжительную (порядка минут) мощность (или соответственно более краткие экспозиции при еще более высокой мощности), необходимо применение вран1ающегося антикатода с интенснвны.ч водяным охлпждекием.

Такая трубка была построена Стрельниковым и Харькове.

Трубка Стрельникова работает на принципе ионной т)убки. Фокус на вращающемся антикатоде перемещается но окружности диаметром около 90 мм. Шток вргицающегося антикатода, через который подаеУся охлаждающая вода, иведен в трубку на специальном сальниковом уплотнении. По даиным автора трубка выдерживает длительные нагрузки до 200 щА. Недостатком трубки Стрельникова является общий для всех ионных трубок недостаток: необходимость длительной тренировки трубки для достижения более менее спокойной работы н« требуемой моншости .и затруднительность регулировки МуОщностп. Эти недостатки особенно сильно сказываются при повышении мощности трубки, так что управление ионной трубки при мощностях порядка 500 шА (при 20-- 60 kV) было бы весьма затруднительн.ым.

В силу этих сообран ений мощная трубка, позволяющая производить структурные исследования без затрат значительного времени на регулировку трубг кн и уход за ней, должна быть, но мнению заявителя, электронной.

Однако, электронная трубка требует значительно более вь сокого вакуума для нормальной работы (порядка 10 мм. Наличие сальникового уплотнения в месте ввода в трубку вращающегося антикатода даже при той специально разработанной конструкции, как это имеет место в трубке Стрельникова, делает затруднительным получение нужного дли работы элек тройной трубки высокого вакуума. Если в подобной конструкции при откачке мощным высоковакуумным насосом (например, 4-ступенчат,1й стальной насос Гедэ) требуемое разрежение и будет получеко, то нет гарантии от постоянных прорывов газа (паров масла) через сальник при вращении антикатода. Предлагаемая конструкция дает возможность ввести в трубку, в сферу высокого вакуума, вращающийся охлаждаемый водой антикатод без каких бы то ИИ было сальниковых уплотнений или вран1,ающихся шлифов в сфере высокого вакуума. Принцип этой конструкции. заключается в том, что шток вращающегося антикатода пропускается, через соединенный с трубкой в одни целый агрегат диффузионяий ступенчатый нпсос. Шток проходит через насос таким образом, что зазор между ним и копусной насадкой образует диффузионную диафрагму, чере.4 которую происходит откачка воздуха быстро истекающими из колуя1евого солла нарами ртути (или другой какой-либо рабочей жидкости) подобно тому, как это имеет место во всех диффузионных насосах. При проходе штока через вторую, третью и четвертую ступени насоса- зазор между штоком и разобщающими отделbUF ie ступени насоса друг от друга цилиндрами перекрыт ртутными затворами. На чертеже фиг. изображена предлагаемая рентгеновская с трубка; фиг. 2- то же, в измененной конструкции. Шток 11 вращающегося антикатода рентгеновской трубки пропун1ен через насос таким образом, что зазор между ними и конусной насадкой 13 образует диффузионную диафрагму, через которую происходит откачка воздуха быстро истекающими из кольцевого сопла 15 парами ртути (или другой какой-либо рабочей жидкости), подобно тому, как &ТО имеет место во всех диффузионлых насосах. В предложенных вариантах конструкции, при проходе штока через вторую, третью, четвертую ступени насоса, зазор между щтоком и разобщающими отдельные ступени насоса друг от друга цилиндрами 17 перекрыт ртутными затворами 16. Такое перекрытие оказывается воз. можным в виду малого перепада давлеиий между этими ступенями насоса и в виду того, что, начиная со второГг ступени давление в ступенях выше упругости паров ртути при нормальной температуре. Ртутные затворы выполнены конструктивно таким образом, что они не могут раскрыться от выбрасывания из них ртутн центробежной силой при вращении штока антикатода. Таким образом сальнпковое уплотнение вынесено в сферу форвакуума, где при 4-ступеитатом насосе достаточно разрежение лишь 15-20 мм ртут11ого столба. Однако, и этого уплотнения можно избежать в том случае, если могут быть обеспечены свободный сток воды внизу установки и достаточное давление воды в водопроводе (фиг. 2). Здесь между щтоком антикатода и корпусом насоса образуется зазор 26, через который отходящая из антикатода охлаждающая вода отсасывает воздух из форвакуумного пространства насоса. При достаточном давлении воды, что может быть обеспечено соответствующими сечениями водопроводящих каналов штока, образующийся подоструйиый насос создает вакуум 15- 20 .мм ртутного столба, что -обеспечивает работу 4-сту11енчатого диффузионногонасоса. Так как скорость откачки водоструйного насоса невелика, то он используется здесь лишь для обеспечения перепада давления в зазоре 28 (между вращающимся штоком и корпусом насоса). Форвакуумный насос приключается в обеих конструкциях трубки к патрубку 12. В предлагаемых вариантах конструкции в,1шгуказаннъ1Й прнннид, пропускания врающащегося штока антикатода через диффузионный насос применен к насосу, построенному но тину 4-стуценчатого стального диффузионного насоса Гедэ. Пары ртути из кипятильника 24 подымаются но трубке 18- и питают параллельно сопла насоса 15 и 14. Конденсирующая ртуть стекает через ртутные затворы 16 и трубку 28 обратно в кипятильник. Кипятильник нагревается электропечью. Корпус насоса