Рентгеновская трубка Советский патент 1982 года по МПК H01J35/14 

(54) РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА

Изобретение относится к рентгеновской технике, в частности к рентгеновским тру кам, которые могут быть использованы в спектральном анализе, в технологических целях, для сепарации алмазов и т. д. Одной из основных проблем в рентгенотехнике, является проблема создания мощного протяженного источника рентгеновского излучения с равномерным распре делением интенсивности вдоль заданного направления на небольшом расстоянии от трубки. Известны специальные мощные источники рентгеновского излучения fl , в ко торых для получения излучающей поверхности 1ОО см катод излучателя имеет ряд параллельных мощных нитей накала. Выходящие из нитей электроны движутся к заземленному аноду мембранного типа из никеля. Поверхность мембран, обращенная к аноду и являющаяся источником рентгеновского излучения, для повьшения рентгеновской отдачи покрыта тонким слоем золота. Через мембраны пропускается быстрытй поток охлаждающей воды. Используемое рентгеновское излучение проходит сквозь мембраны и задает дозное поле,. сравнительно медленно спадающее с удалением от анода. В другом случае Г2 источник имеет, цилиндрические излучатели, внутри которых параллельно оси всего цилиндра размещен мощный катод. Одна сторона цилиндра срезана параллельно оси и заменена двойной плоской стенкой, поверхность которой, обращенная к катоду, является непосредственным источником излучения. Внутри двойной стенки циркулирует охлаждаюишя вода. Недостатками таких источников является техническая сложнс ;ть и низкая эксплуатационная надежность, значительное ослабление рентгеновского излучения мембраной и стенкойцилиндра, большая мощность накала. Кроме того, данные установки должны работатьпри непрерывной откачке. Необходимо подчеркнуть, что ранее основным назначением известных ис- 3 96 точников рентгеновского излучения было создание большого поля облучения. Однако в .настоящеевремя необходимо иметь для яи$огих применений рентгеновских трубок (спектральный анализ, технологическое облучение, сепарация алмазов) мощный протяженный источник с равномерным распределением интенсивности только в одном направлении. Например, для сепараторов алмазов необходимо, чтобы поле излучения было равномерным в направлении, перПенДикулярном движению транспортера с алмазосодержащей породой. Свободны от «указанных недостатков мощные запаянные рентгеновские трубки. Наиболее близкой по технической сущности к ипобретению является рентгеновская трубка, содержащая вакуумную оболочку с окном для выхода излучения и раз мещенными в ней катодом, анодом с мишенью и системой охлаждения мишени. Такая конструкция обеспечивает получение эффективногобокусного пятна относительно небольшой протяженности с размерами мм t3l . К недостаткам трубки относится то, что на расстоянии, равном 3-4 фокусного расстояния (расстояние мишени - выходное окно) от нее, распределение интенсивности вблизи окна вдоль любого направления в поле облучения является неравномерным. Кроме того, эта трубка имеет сравнительно низкую мощность излучения. Целью изобретения является создание протяженного источника рентгеновского излучения с отношением длины фокусного пятна к ширине не менее т- 30 - 40 (при удельной нагрузке в режиме длительного включения не менее 80 Вт/мм ) с равномерным распределением интенсивности вдоль фокусного пятна на расстоянии равном 3-4 фокусным расстояниям без . увеличения мощности накала катода. Указанная цель достигается тем, что в рентгеновской трубке, содержащей вакуумную оболочку с.окном для выхода излучения и размещенными в ней катодом, анодом с мишенью и системой охла;1вдения мишени, катод выполнен из последо-i вательно соединенных нитей накала , длина .и шаг расположения которых находятся в соотношении e/L р,4-р,6, а между анодом и катодом введен выравнивающий электрод, выполненгаый в виде системы параллельных друг другу стерзкнсей, расположенных с неравномерным шагом, каждый из которых расположен в плоскоети, параллельной плоскости катода пер- 64 пендикулярно оси нитей накала, и удален от нее на расстояние 0,2 0,25.с , где d - расстояние между анодом и катодом. На фиг. 1 представлена рентгеновская трубка, общий вид; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - схематическое устройство рентгеновской трубки; на Фиг, 4 - кривая распределения плотности тока на поверхности анода. Рентгеновская трубка имеет стеклянный баллон 1 с катодом 2 и анодом 3, сГоде1 - / жащий мищень 4 с системой охлаждения 5 и выходное окно 6 из легкоатомного материала, например из бериллия. Основной частью анода .является медный цилиндрический корпус, на внутреннюю поверхность которого наносится покрытие из рения или другого тяжелоатомного материала. Это покрытие является мишенью 4 трубки. Часть внешней поверхности выфрезерована для протяженного выходного бериллиевого окна. Между анодом 3 и катодом 2 расположен выравниваю.щий электрод 7. Катод состоит из последовательно соединенных между собой спиралей, расположенных с определенным шагом L, (в см). На фиг. 3 обозначены: U - шаг спиралей; S - длина спирали; к - расстояние между катодом и выравнивающим электроДОМ; d - расстояние между катодом и анодом; t и t2- расстояние между стерж.нями выравнивающего электрода. Катод укрепляется через изолирующие керамические втулки на держателе из титана с помощью винтов, которые позво- . ляют регулировать расстояние К от спиралей до выравнивающего электрода. Выравнивающий электрод представляет собой ряд параллельных стержней с неравномерным шагом (t iiiij.). ориентированных перпендикулярно оси нити канала. Рассмотрим работу рентгеновской трубВо время работы трубки путем изменения мощности накала катода 2 устанавливается необходимая величина тока эмиссии катода при выбранном значении анодного напряжения. Эмитированные катодом электроны ускоряются в промежутке катод - анод и бомбардируют анод 3, вызывая рентгеновское излучение, которое выходит за пределы трубки через вьрсодное Окно 6. На своем пути к аноду 3 электроны проходятсквозь стержни выравнивающего электрода, которые выравнива ют распределение плотности тока вдоль действительного фокусного пятна, причем расстояния между стержнями t и t не должны быть равными. Кроме того, необходимо регулировать напряжение U на выравнивающем электроде 7. Обычно величина напряжения Ug оказывается близкой к естественному потенциалу Ug области пространства, где располагается выравнивающий электрод, и составляет величину порядка 120% Ug . При этом значении напряжения стержни выравнива1о щего электрода образуют распределение плотности тока вдоль фокусного пятна. На фиг. 3 кривая8 иллюстрирует распределение плотности тока от одной секции катода на поверхности анода. Затем путем наложения друг на друга подобных распределений от других секций катода было получено суммарное распределение плотности тока наповерхности анода (кривая 9). Из фиг. 4 видно, что распределение плотности тока вдоль дейст вительного фокусного пятна имеет незначительную неравномерность 10%. Распределение интенсивности в пространст-25 ве благодаря этому оказывается практически равномерным уже на расстоянии 1,5-2 фокусного расстояния. Указанная равномерность обеспечивается также созд нием определенной геометрии системы. Расстояние d между анодом и катодом вы бирается исходя из обеспечения электрической прочности промежутка. Диаметр стержня С выбирается из условия мини мального токоперехвата, т. е. С «t . Оптимальное соотношение Е и I, должно составлять i/L, 0,4 - 0,6, так как при уменьшении L будет возрастать длина нити накала в каждой секции, а следовательно, и (Требуемая на накал мощность. При использовании длинной непрерывной спирали можно добиться такого же эффекта, однако мощность, затрачиваемая на накал катода в этом- случае увеличиваетс более, чем в 2 раза, что требует создани в рентгеновской установке мощного источ ника накала. Кроме того, при большой мощности возникает перегрев катодного узла и трубки в целом. Это требует специальных мер для их охлаждения, что усложняет конструкцию трубки. При увеличении Ц мощность накала снижается, одна ко в этом случае сложно обеспечить равномерность путем размещения стержней выравнивающего электрода. Стержни вырав нивающего электрода должны располагаться на расстоянии от катода К 0,2-0,26 так как при большем расстоянии К величина и э оказьшается близкой к величине. анодного напряжения, а при малом К необходимо увеличивать число стержней и уменьшать L, , что и приводит к увеличению мощности накала. Трубка данной конструкции, предназначенная для работы в сепараторе алмазов имеет катод в виде пяти последовательно соединенных вольфрамовыхспиралей длиной Е 12 мм, расположенных с шагом U 22 мм. Стержни выравнивающего электрода диаметром С 0,5 мм находятся на расстоянии от катода К « 3,2 мм Экспериментально установлены соотноше- . ния t 0,5 С и t2 0,82 (при данной геометрии системы шаг t 6 мм и t ю мм). При числе стержней над каждой спиралью более двух эти соотнощения будут иметь иной вид, который определяется расчетным путем или экспериментально. Общая длина трубки составляет 34 см, диаметр - 8 см. Выходное окно изготовлено из бериллия длиной 106 мм и шириной Ю мм. Максимальная мощность, под- водимая к мшиени анода, составляет величину PQ 5 кВт. Трубка рассчитана для работы в длительном режиме при максимальном анодном напряжении 50 кВ и анодном токе 10О мА. Мощность накала при этом равна 80 Вт. Проведенные испытания показали, что относительная неравномерность излучения вдоль эффективного фокусного пятна находится в пределах 7 - 10%.на расстоянии 70 мм от выходного окна трубки. Таким образом, применение предлагаемого изобретения позволит снизить мощность накала катода в два раза и созаать протяженный источник рентгеновского излучения соотношением, длины действитель- ного фокусного пятна к ширине не менее . U /S ..-- i-r-° ЗО - 40 с равномерным распределе- нием интенсивности вдоль фокусного пятна на расстоянии, равном 3-4 фокусным расстояниям. Использование предложенной рентгеновской трубки В;сепа раторах алмазов позволит повысить производительность установок в 1,5 раза и значительно уменьшить вероятность пропуска алмазосодержащей породы, что может дать значительный экономический эффект. Формула изобретения Рентгеновская трубка, содержащая вакуумную оболочку с окном для выхода излучения и размещенными в ней катодом. анодом с мишенью и системой охлаждения мншеии, отличающаяся тем, что, с целью создания протяженного источника с равномерным распределением 1штеис1щности вдоль фокусного пятна без увеличения мощности накала кауода, катод выполнен из последовательно соединенных нитей накала, длина и шаг расположения которых находятся в соотношении C/L ::О,4 -0,6, а меяоду анодом и катодом вве- ден выравнивающий электрод, выполненный в видь системы параллельных друг другу стержней, расположенных.- с неравномер ным шагом, каждый из которых располоФие.г. жен в плоскости, параллельной олоскости . катода перпендикулярно оси нитей накала и удален от нее на расстояние 0,2-0,25 где 3 - расстояние между анодбм и катодом. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.E-G. Hof man, ETZ-B,f Ва 14, Н. 14, 1962, р. 375-379. 2,Шмелев В. К. Рентгеновские аппараты. М., Энергия, 1973, с, . 3.Блохин М. А. Методы рентгеноспект ральных исследований. М., ГИФМЛ, 1959, с. 3(У-31 (прототип).