Рентгеновская трубка

Рентгеновская трубка относится к рентгенотехнике, в частности к области разработки рентгеновских трубок, и может быть использовано в медицинской рентгенодиагностике.

Она включает в себя анодный узел, содержащий вращающийся анод, вал, ротор и обойму с подшипниками, катодный узел на основе прямонакального катода, выполненного в виде винтовой спирали, и вакуумный баллон, вращающийся анод выполнен в виде металлического цилиндра, длина которого L определяется соотношением:

L a·n·t,

где а - длина спирали, n - количество оборотов анода в секунду, t - максимальное время экспозиции;

при этом анодный узел крепится к вакуумному баллону с помощью металлических сильфонов, а обойма с подшипниками посредством винтовой передачи соединена с механизмом перемещения, спираль расположена параллельно боковой поверхности анода, а ось пучка электронов перпендикулярна боковой поверхности анода.

Конструкция позволяет существенно увеличить площадь действительного фокусного пятна, а, следовательно, и подводимую мощность в электронном пучке.

Заявляемая полезная модель относится к рентгенотехнике, в частности к области разработки рентгеновских трубок, и может быть использовано в медицинской рентгенодиагностике.

Очевидно, точность диагноза зависит прежде всего от качества получаемого рентгеновского изображения - его яркости, контрастности и резкости. В рентгенографии снимок подвижных органов (сердце, легкие и т.д.) во избежание «смаза» изображения выполняют за десятые, а иногда - сотые доли секунды. Чтобы за столь малое время получить необходимую интенсивность излучения, необходимо использовать рентгеновскую трубку с мощностью до нескольких десятков киловатт в режиме кратковременного включения [Быстров Ю.А., Иванов С.А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы: Учеб для вузов. М.: Высш. шк., 1983, стр.263]. С этой целью в большинстве современных рентгенодиагностических аппаратов используют трубки с вращающимся анодом [патент США 4162420 и патент Швейцарии 649865].

Форма анода может быть дискообразной или цилиндрической. В такой трубке сфокусированный пучок электронов направляется на анод эксцентрично. При его вращении нагреванию последовательно подвергаются все новые участки кольцевой поверхности, в том время как фокусное пятно в пространстве остается неподвижным. За время полного оборота анода энергия электронного пучка выделяется на площади S_в большей, чем для трубки с неподвижным анодом S_н, при тех же размерах действительного фокусного пятна (Фиг.1).

S_в=a·2R, S_н=a·в,

где а - длина действительного фокусного пятна, в - ширина действительного фокусного пятна, R - средний радиус кольцевой поверхности, бомбардируемой электронами при вращении анода. Длина а и ширина в действительного фокусного пятна, соответственно, равны длине и диаметру спирали катода рентгеновской трубки.

Увеличение площади поверхности анода, бомбардируемой электронами, позволяет повысить мощность трубки. К - коэффициент увеличения допустимой мощности трубки с вращающимся анодом по сравнению с трубкой с неподвижным анодом можно определить по следующему выражению [Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. Л.: Энергия, 1966, 187 с.]

где n - число оборотов в секунду, t - время включения анодного напряжения (время экспозиции).

Конструкция трубки с вращающимся анодом, выбранной в качестве прототипа схематично показана, на Фигуре 2 [Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. Л.: Энергия, 1966, стр.185-192].

Внутри стеклянного вакуумного баллона 1 трубки (см. фиг.2) установлены катодный и анодный узлы. Катодный узел включает в себя высоковольтный изолятор 2, прямонакальный катод, выполненный в виде винтовой спирали 3, и фокусирующий электрод 4. Спираль 3 крепится к изолятору 2 с помощью проволочных выводов 5. Анодный узел включает в себя жестко закрепленные на одном валу 6 вольфрамовый анод 7 и медный ротор 8 асинхронного электродвигателя. Вал 6 вращается в двух обоймах шарикоподшипников 9. Статорная обмотка 10 двигателя надета на горловину 11 снаружи. Для выпуска рентгеновского излучения 12 в боковой стенке баллона 1 предусмотрено выходное окно 13.

При подаче напряжения питания частотой 50 Гц и выше на статорную обмотку 10 возникает вращающееся магнитное поле, которое приводит в движение ротор 8, вал 6 и анод 7. Электронный пучок формируется фокусирующим электродом 4 из эмиттируемых накаленной спиралью 3 электронов. Под воздействием ускоряющего напряжения отрицательной полярности, приложенного к катоду, электронный пучок бомбардирует вращающийся анод 7. Мощность, подводимая к аноду 7, распределяется по кольцевой поверхности площадью S _в.

Следует отметить, что применительно к описанной конструкции выражение (1) справедливо только для короткого времени включения, составляющего не более длительности одного оборота анода, так как при последующих оборотах электронный пучок будет снова попадать на неостывшую еще поверхность, и поэтому допустимая подводимая мощность для второго оборота будет меньше, чем для первого и т.д. Например, при скорости вращения анода 2800 об/мин (одного из стандартных значений) это время составляет не более 0,02 с [Рентгенотехника: Справочник. В. 2-х кн. / Под. ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1980. - Кн. 1, стр.98].

Техническим результатом заявляемого технического решения является существенное превышение мощность по сравнению с прототипом при прочих равных условиях.

Для получения указанного технического результата в рентгеновской трубке, включающей в себя анодный узел, содержащий вращающийся анод, вал, ротор и обойму с подшипниками, катодный узел на основе прямонакального катода, выполненного в виде винтовой спирали, и вакуумный баллон, вращающийся анод выполнен в виде металлического цилиндра, длина которого L определяется соотношением:

La·n·t,

где а - длина спирали, n - количество оборотов анода в секунду, t - максимальное время экспозиции; при этом анодный узел крепится к вакуумному баллону с помощью металлических сильфонов, а обойма с подшипниками посредством винтовой передачи соединена с механизмом перемещения, спираль расположена параллельно боковой поверхности анода, а ось пучка электронов перпендикулярна боковой поверхности анода.

Сущность заявляемого технического решения поясняется на фиг.3, где представлена конструкция рентгеновской трубки.

В цельнометаллической вакуумный баллон 1 цилиндрической формы установлены катодный и анодный узлы. Катодный узел напаян на боковую поверхность баллона 1. Узел включает в себя высоковольтный изолятор 2, рассчитанный на полное рабочее напряжение трубки, прямонакальный катод, выполненный в виде винтовой спирали 3, и фокусирующий электрод 4. Спираль 3 крепится к изолятору 2 с помощью проволочных выводов 5. Анодный узел включает в себя жестко закрепленные на одном валу 6 вольфрамовый анод 7 и медный ротор 8 асинхронного электродвигателя, выполненные в виде массивных металлических цилиндров. Вал 6 вращается в двух обоймах шарикоподшипников 9. Статорная обмотка 10 двигателя надета на стеклянную горловину 11 снаружи. Для выпуска рентгеновского излучения 12 в торцевой стенке баллона 1 предусмотрено выходное окно 13, выполненное из тонкостенного металлического диска. Анодный узел крепится по обоим торцам баллона 1. с помощью двух металлических вакуумноплотных сильфонов 14. К одному из торцов баллона 1 со стороны стеклянной горловины 11 с помощью винтовой передачи 15 присоединен электродвигатель 16. Двигатель 16 и центральная часть баллона 1 жестко связаны между собой.

При работе рентгеновской трубки одновременно с вращением анода 7 вокруг оси трубки, посредством винтовой передачи 15 и двигателя 16, благодаря сильфонам 14, вал 6 может перемещаться вдоль оси трубки.

Скорость V линейного перемещения анода выбирается из условия:

один полный оборот - перемещение на одну длину а фокусного пятна,

где а - длина действительного фокусного пятна, Т - время одного полного оборота анода.

Вместе с валом 6 будет перемещаться участок поверхности анода, бомбардируемый пучком электронов, формируемых катодным узлом и ускоренных в промежутке фокусирующий электрод 4 - анод 7. Следовательно тепло, подводимое электронным пучком к аноду 7, будет распределяться по цилиндрической поверхности, площадь S_ц которой значительно больше, чем площадь кольцевой поверхности дискового анода S_в прототипа при равных диаметрах анодов трубки - прототипа и предлагаемой конструкции.

S _ц=а·2RN,

S_в=а·2R

Соответственно мощность предлагаемой трубки будет больше мощности трубки-прототипа в число раз K₁ , равное:

где N=n·t - количество оборотов анода за время экспозиции t.

Расчеты показывают, что при частоте вращения анода n=2800 об/мин и времени экспозиции t=0,1 с мощность трубки может быть увеличена почти в 7 раз

При этом длина анода L выбирается, исходя из величины перемещения анода при максимально возможном времени экспозиции. Например, перемещение анода за время t=0,1 для трубки с длинной действительного фокусного пятна 1 мм составит около 47 мм.

Следует отметить что дополнительным ресурсом повышения мощности в предлагаемой конструкции по сравнению с трубкой-прототипом, является тот факт, что при каждом последующем обороте анода электронный пучок будет попадать на его «холодную» поверхность.

Диагностическая практика (4) показывает, что наиболее перспективным является использование предлагаемой конструкции при разработке остро - и микрофокусных рентгенодиагностических комплексов большой мощности для получения высококачественных изображений крупных отделов и органов тела человека - грудного, поясничного, тазобедренного сустава, головы и т.д., содержащих мелкие детали костной структуры.

Рентгеновская трубка, включающая в себя анодный узел, содержащий вращающийся анод, вал, ротор и обойму с подшипниками, катодный узел на основе прямонакального катода, выполненного в виде винтовой спирали, и вакуумный баллон, отличающаяся тем, что вращающийся анод выполнен в виде металлического цилиндра, длина которого L определяется соотношением:

La·n·t,

где а - длина спирали, n - количество оборотов анода в секунду, t - максимальное время экспозиции,

при этом анодный узел крепится к вакуумному баллону с помощью металлических сильфонов, а обойма с подшипниками посредством винтовой передачи соединена с механизмом перемещения, спираль расположена параллельно боковой поверхности анода, а ось пучка электронов перпендикулярна боковой поверхности анода.