Источник импульсов рентгеновскогоизлучЕНия Советский патент 1981 года по МПК H01J35/22 

(54) ИСТОЧНИК ИМПУЛЬСОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

I

Изобретение относится к области технической физики, преимущественно к импульсной технике и электрофизике, и может быть использовано в импульсной высокоскоростной рентгенографии в биологии, медицине, и тонкой технологии для получения импульсов рентгеновского излучения при исследовании быстропротекающих процессов и в других областях науки и техники. Устройство может быть использовано особенно эффективно при получении импульсов мягкого рентгеновского излучения большой интенсивности.

В современной технической физике для получения рентгеновского излучения используются в основном несколько типов устройств, а именно рентгеновские аппараты непрерывного и импульсного действия, синхротроны, устройства, использующие в качестве рентгеновского излучателя лазерную плазму или различные р-адиоактивные препараты.

Известно устройство импульсного рентгеновского аппарата, использующего в качестве источника импульсного электропитания генератор высоковольтных импульсов

напряжения, а в качестве рентгеновской трубки - двухэлектродную трубку, катод которой представляет собой цилиндр с острым краем, охватывающий анод«вольфрамовую иглу, расположенную вдоль оси трубки. Катод и анод разделены вакуумным промежутком. При подаче импульса напряжения, когда между катодом и анодом оказывается приложенным полное напряжение, из острого края катода под действием электрического поля начинают вырываться электроны, которые бомбардируют анодную иглу. В результате возникает рентгеновское излучение с максимумом, направленным по оси трубки. Диаметр излучателя составляет величину 1 мм 1.

Однако устройство генерирует импульсы рентгеновского излучения с больщой эффективной энергией (в несколько десятков кэВ) и невысокой интенсивностью Юшр за импульс, устройство не может являться источником импульсов интенсивного мягкого рентгеновского излучения, предъявляются жесткие требования к вакуумированию рентгеновской трубки, невозможно получить протяженную излучающую поверхность, длительность рентгеновского импульса велика (vO,5 икс). Для получения импульсов мягкого рентгеновского излучения большой интенсивности используют устройства, состоящие из вакуумной камеры, в которую помещают мишень, и мощного импульсного лазера. Работа устройства состоит в следующем. Лазерный луч больщой мощности фокусируют на мишени. В результате образуется горячая плазма из материала мишени, которая и служит источником мягкого рентгеновского излучения 2. Основными недостатками данного устройства являются большие габариты установки и ее большая стоимость. . Наиболее близким техническим решением является источник импульсов рентгеновского излучения, содержащий импульсный источник электропитания, катод и анод, разделенные диэлектриком. Катод трубки выпол нен в виде цилиндра с острыми краями, направленными в сторону анода-металлической фольги. Анод и катод разделены вакуумным промежутком 4 мм. Устройство работает следующим образом. От генератора высоковольтных импульсов на катод трубки подается отрицательный импульс напряжения с амплитудой кВ и скоростью нарастания напряжения Ю . Вблизи острых краев катода по механизму взрывной эмиссии возникает прикатодная плазма, электроны которой ускоряются в электрическом поле межэлектродного промежутка, затем бомбардируют анод, генерируя рентгеновское излучение. Доза за один импульс составляет величину -10 тР, длительность рентгеновской вспышки равна не, диаметр рентгеновского излучателя 3 мм, эффективная энергия рентгеновских квантов составляет величину (70-100) кэВ 3. Описанное устройство предназначено для получения импульсов рентгеновского излучения сравнительно большой интенсивности при невысокой эффективной энергии рентгеновских квантов (70-100) кэВ, что связано с физикой возникновения эффекта взрывной эмиссии в рентгеновской трубке данного типа. Величина напряженности электрического поля вблизи микроострий катода должна составлять величину () В/см, что приводит к .большой величине амплитуды импульса напряжения 100 кВ и, как следствие этого, к высокой эффективной энергии рентгеновских квантов. Кроме того, в этом устройстве предъявляются жесткие требования к вакуумированию и излучение в трубке носит точечный характер. Целью изобретения является увеличение излучающей поверхности при одновременном увеличении интенсивности излучения. Поставлсппая цель достигается тем, что источник импульсов рентгеновского .излучения, содержащий источник импульсного электропитания, катод и анод, разделенные диэлектриком, конструктивно выполняете так, что упомянутый диэлектрик выполнен -в виде диска, одна сторона которого покрыта токопроводящим слоем, соединенным с анодом, а на противоположной стороне в центре расположен катод с краями, прижатыми к поверхности диска, соединенный с источником питания через отверстие, выполненное в середине диска. Эксперименты показали, что при подаче на катод отрицательного импульса напряжения с амплитудой, обеспечивающей примерно трехкратное превыщение напряжения статического пробоя Уст промежутка анод-катод, и скоростью нарастания фронта импульса --4- 3 10 В/с, с 1 атода происходит развитие диффузного (многоканального) скользящего разряда, скорость продай жения головки которого см/с. При описанных выше условиях формирования многоканального скользящего разряда за счет большой величины тангенциаль ной составляющей напряженности электрического поля в головке скользящего разряда (10 10 В/см) создаются условия для интенсивной генерации быстрых электронов, энергия которых во много раз превосходит энергию электронов в канале обычного газового разряда. Причем в силу многоканальности разряда величина амплитуды .тока, связанная с потоком быстрых электронов, достигает величины единиц кА. Присутствие быстрых электронов в скользящем разряде и обеспечивает появление рентгеновского излучения, а их количество большую интенсивность ( Вт с см излучающей поверхности). На фиг. 1 изображен предложенный источник импульсов рентгеновского излучения, вид сверху; на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1. Источник импульсов рентгеновского излучения содержит заземленный электрод (анод) 1, плазму скользящего разряда 2, высоковольтный электрод (катод) 3, диэлектрический диск 4, токопроводящий слой 5, изоляционную втулку 6 и генератор 7 высоковольтных импульсов напряжения. Цифрой 8 помечено направление максимальной интенсивности излучения. Устройсуво работает следующим образом. На высоковольтный электрод 3 от генератора 7 высоковольтных импульсов напряжения подается импульс отрицательной полярности, обеспечивающий формирование диффузионного или многоканального скользящего по поверхности диэлектрика 4 разряда, который и является источником рентгеновского излучения 8. Проведенные эксперименты показали, что для получения интенсивного рентгеновского излучения необходимо, чтобы импульс высокого напряжения имел такие параме7ры (амплитуду,скорость нарастания напряжения), при которых обеспечивается скорость непрерывного продвижения головки разряда, стартовавшего с отрицательного электрода, большая 10 см/с

Максимальная интенсивность рентгеновского излучения направлена перпендикулярно плоскости диэлектрического диска. Возможна регулировка интенсивности излучения и его жесткости путем изменения амплитуды напряжения, и толш,ины диэлектрического диска.

Были проведены испытания опытного образца предложенного устройства. Катод диаметром 40 мм размещался на диэлектрическом диске, выполненном из оргстекла ( 2,2) толщиной от 1,5 до-30 мм и металлизированного с одной стороны гетинакса () толщиной 1,25; 2, 5 мм. Диаметр анода изменялся от 50 до 180 мм, при этом излучающая поверхность изменялась от 7,7 до 242 см 2. Разряд формировался под действием отрицательного импульса напряжения амплитудой с:160 кВ с , длительность1о 35 не. Разрядный промежуток находился на воздухе при атмосферном давлении.

Для каждой толщины диэлектрика, межэлектродного расстояния проводились серии опытов с фиксацией полученного рентгеновского излучения на рентгеновскую пленку типа РМ-1. Экспозиционная доза излучения за один импульс при оптимальных условиях равнялась «0,7Р за импульс, эффективная энергия излучения составляла 5 кэВ. Мощность рентгеновского излучения 5 кВт.

Техническая- эффективность устройства состоит в том, что оно дает возможность получать поток рентгеновского излучения большой площади с небольшим углом расхождения 10°, излучение имеет короткую длительность, порядка нескольких десятков наносекунд, и может использоваться в аппаратуре для исследования объектов с временным разрешением. Особенно перспективно применение устройства в качестве источника импульсов мягкого рентгеновского излучения с эффективной энергией в единицы кэВ и, экспозиционной дозой за один импульс 1 Р. Устройство может работать как при атмосферном давлении газа, так и в вакууме. Устройство позволяет получить как одиночные импульсы рентгеновского излучения, так и периодические, в зависимости от работы высоковольтного генератора напряжения.

Формула изобретения

Источник импульсов рентгеновского излучения, содержащий импульсный источник электропитания, катод и анод, разделенные диэлектриком, отличающийся тем, что, с целью увеличения излучающей поверхности при одновременном увеличении интенсивности излучения, упомянутый диэлектрик выполнен в виде плоского диска, одна сторона которого покрыта токопроводящим слоем, соединенным с анодом, а на противоположной стороне вч ентре расположен катод с краями прижатыми к поверхности диска, соединенный с источником питания через отверстие, выполненное в середине диска.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

3.Комяк Н. VI. и др. Генераторы наносекундных рентгеновских вспышек типа ИРА 3 и ИРА 5. «Дефектоскопия, 1971, № 3, с. 127 (прототип). 1 .S :. -C.., ..J фуг./