Рентгеновская трубка (варианты)
Полезная модель относится к области рентгеновской техники. Рентгеновская трубка содержит корпус в виде вакуумной оболочки, выполненной из изолирующего материала с несколькими вводами в торце, размещенные внутри вакуумной оболочки прямонакальный или с косвенным подогревом катод, выполненный в виде кольцевого элемента, систему управления электронным потоком, анод с мишенью и выходное окно. Кольцевой элемент катода расположен соосно оси системы управления электронным потоком и оси анода и выполнен в виде одного или более одного витков провода, при этом часть длины указанного провода представляет собой отрезок сечением, меньшим сечения оставшегося отрезка этого провода, или часть длины указанного провода выполнена из материала, отличного от материала другой части длины этого же провода. Противоположная сторона кольцевого элемента соединена с высоковольтным выводом, а рядом с кольцевым элементом за пределами вакуумной оболочки установлена первичная катушка трансформатора, вторичной обмоткой которого использован указанный кольцевой элемент. 6 ил.
Полезная модель относится к области рентгеновской техники и предназначено для использования в рентгеновских аппаратах. В частности, рассматривается конструкция малогабаритного источника излучения для возбуждения характеристического излучения атомов веществ при проведении рентгеноструктурного анализа.
Известно, что рентгеновская трубка (фиг.1 и 2) включает в себя катод 1 с эмиссионным составом, подогреватель 2 катода 1, с которым соединены вакуумные вводы 3 для подключения подогревателя катода к источнику напряжения. Все элементы расположены внутри корпуса в виде вакуумноплотной изоляционной оболочки 4, внутри которой смонтирована формирующая электронный поток система 5 (система управления электронным потоком), анод 6, мишень 7 и выходное окно 8. Высоковольтные провода 9 предназначены для соединения с источником накального и анодного напряжений (не показан). Известны рентгеновские трубки пролетного (фиг.1) или отражательного типа (фиг.2), в которых в качестве источника электронов для получения требуемого рентгеновского излучения используется катод прямого или косвенного накала.
Так известна рентгеновская трубка («Рентгенотехника: Справочник», Кн.1, под ред. В.В. Клюева, М, «Машиностроение», 1980, стр.91-92), анод которой представляет собой тонкий слой металла, нанесенный на окно трубки, расположенное в ее торцевой части. Материалом окна служит тонкая бериллиевая пластина. Окно герметично соединено с корпусом, Катод выполнен в виде витой из вольфрамовой нити спирали, расположенной в фокусирующем устройстве. Трубка работает следующим образом: между анодом и катодом прикладывается высокое напряжение, на катод подается напряжение накала, с поверхности катода эмитируется поток электронов, который под воздействием электрического поля бомбардирует поверхность анода, в результате чего генерируется рентгеновское излучение, распространяющееся по оси трубки через выходное окно.
В качестве прототипа принято решение, описанное в RU 2303828, H01J 35/14, опубл. 27.07.2007 г., в котором описана рентгеновская трубка, состоящая из герметичного корпуса с окном для вывода рентгеновского излучения, внутри которого в среде вакуума расположены цилиндрический анод с закрепленной на его торцевой поверхности мишенью и прямонакальный катод, в области катода расположены отражающий и фокусирующий электроды, катод выполнен в виде кольцевой нити накала, имеющей как минимум два вывода, расположенный коаксиально с мишенью и фокусирующим электродом, выступающим относительно катода и мишени, при этом размер мишени превышает размер торцевой части анода, анод выполнен за одно целое из собственно анода и токоввода, В этой трубке катод имеет два или три вывода и в области катода расположен дополнительный фокусирующий кольцевой электрод.
Чтобы подключить рентгеновскую трубку к источнику высокого анодного напряжения, применяют электронные устройства с заземленным катодным или заземленным анодным выходными электродами. В первом случае анод рентгеновской трубки находится под высоким потенциалом, а катод с источником накального напряжения соединения с заземленным электродом. В этом случае при конструировании аппарата с использованием такого включения рентгеновской трубки применяются меры по изоляции ее анода от корпуса, а также от объекта, на который направляется рентгеновское излучение. При этом конструкция накального источника питания рентгеновской трубки имеет низковольтную изоляцию и его исполнение не требует специальных мер конструктивного и технологического характера.
В подавляющем большинстве применений пролетных рентгеновских трубок описанная выше схема включения неприемлема, так как требуется приблизить объект облучения на минимально возможное расстояние от анода и в этом случае из-за соображений безопасности эксплуатации требуется заземление анода. Такая схема подключения рентгеновской трубки к источнику анодного напряжения и источнику накала катода предполагает изолировать этот источник от высокого потенциала катода или, по крайней мере, его выходной трансформатор. При напряжениях 30 кВ и более, конструктивное и технологическое решение проблемы изоляции становится трудно разрешимой и предполагает значительное увеличение габаритов источника накального напряжения. Кроме того при такой схеме включения необходимо применять соединительные провода с высоковольтной изоляцией, что приводит к дополнительным трудностям при монтаже и сборке рентгеновских приборов и аппаратуры.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции, сокращении количества высоковольтных вводов и повышения надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что в рентгеновской трубке, содержащей корпус в виде вакуумной оболочки, выполненной из изолирующего материала с несколькими вводами в торце, размещенные внутри вакуумной оболочки прямонакальный или с косвенным подогревом катод, выполненный в виде кольцевого элемента, систему управления электронным потоком, анод с мишенью и выходное окно, для обеспечения необходимой температуры для эмиссии электронов кольцевой элемент катода расположен соосно оси системы управления электронным потоком и оси анода и выполнен в виде одного или более одного витков провода, при этом часть длины указанного провода представляет собой отрезок сечением, меньшим сечения оставшегося отрезка этого провода, или часть длины указанного провода выполнена из материала, отличного от материала другой части длины этого же провода, противоположная сторона кольцевого элемента соединена с высоковольтным выводом, а рядом с кольцевым элементом за пределами вакуумной оболочки установлена первичная катушка трансформатора, вторичной обмоткой которого использован указанный кольцевой элемент.
Указанный технический результат так же достигается тем, что в рентгеновской трубке, содержащей корпус в виде вакуумной оболочки, выполненной из изолирующего материала с несколькими вводами в торце, размещенные внутри вакуумной оболочки прямонакальный или с косвенным подогревом катод, выполненный в виде кольцевого элемента, систему управления электронным потоком, анод с мишенью и выходное окно, отличающаяся тем, что для обеспечения необходимой температуры для эмиссии электронов кольцевой элемент катода расположен соосно оси системы управления электронным потоком и оси анода и выполнен в виде одного или более одного витков провода, в разрыв которого подключен прямонакальный или косвенного подогрева катод, при этом противоположная сторона кольцевого элемента соединена с высоковольтным выводом, а рядом с кольцевым элементом за пределами вакуумной оболочки установлена первичная катушка трансформатора, вторичной обмоткой которого использован указанный кольцевой элемент.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - рентгеновская трубка пролетная;
фиг.2 - рентгеновская трубка, вариант исполнения с отражательной мишенью перед выходным окном;
фиг.3 - рентгеновская трубка согласно настоящей полезной модели, первый пример исполнения;
фиг.4 - рентгеновская трубка согласно настоящей полезной модели, второй пример исполнения;
фиг.5 - сечение А-А по фиг.4;
фиг.6 - рентгеновская трубка согласно настоящей полезной модели, третий пример исполнения.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция рентгеновской трубки, в которой решена проблема изоляции источника питания накала катода. Предлагаемая полезная модель предполагает, во-первых, непрерывный режим работы, а во-вторых, в ней конструктивно развязаны через изоляцию самой диэлектрической оболочки анодные и накальные цепи катодов косвенного или прямого накала.
Конструктивно рентгеновская трубка (фиг.3) включает в себя катод 1 с эмиссионным составом, подогреватель 2 катода 1, с которым соединены вакуумные вводы 3 для подключения подогревателя катода к источнику напряжения. Все элементы расположены внутри корпуса в виде вакуумноплотной (вакуумная) изоляционной оболочки 4, внутри которой смонтирована формирующая электронный поток система 5 (система управления электронным потоком), анод 6 из материала с большим коэффициентом теплопроводности, мишень 7 (выполнена из молибдена, родия, вольфрама или другого требуемого для получения необходимых параметров рентгеновского излучения элемента) и выходное окно 8 без мишени или с мишенью. Высоковольтные провода 9 предназначены для соединения с источником накального и анодного напряжений (не показан). Речь идет о рентгеновских трубках пролетного или отражательного типа, в которых в качестве источника электронов для получения требуемого рентгеновского излучения используется катод прямого или косвенного накала. На фиг.3 электронный поток внутри корпуса обозначен поз.10, а рентгеновское излучение - поз.11.
Таким образом, в рамках настоящей полезной модели рассматривается рентгеновская трубка, содержащая корпус в виде вакуумной оболочки, выполненной из изолирующего материала с несколькими вводами в торце, размещенные внутри вакуумной оболочки прямонакальный или с косвенным подогревом катод, выполненный в виде кольцевого элемента, систему управления электронным потоком, анод с мишенью и выходное окно.
Суть конструктивного решения представлена на фиг.3 и заключается в том, что для высоковольтной развязки цепей накала источника питания и катода 1, используется вакуумная оболочка 4 самой рентгеновской трубки, которая является изолирующим элементом, практически идеальным, так как она (оболочка) всегда выполняется с запасом электрической прочности по отношению к рабочему напряжению трубки. При этом накальная цепь выходного трансформатора 12 источника питания внесена внутрь вакуумной оболочки рентгеновской трубки и выполнена в виде одно и более витковой катушки 13, соединенной своими концами с подогревателем катода 3.
Остальные элементы конструкции обозначены также, как и на фиг.1. На фиг.3 и 4 представлены различные варианты исполнения катодного узла. Возможно оптимизированное конструктивное выполнение катода в виде кольцевого устройства с одним или более витками, имеющего отдельный элемент с существенно меньшим поперечным сечением и длиной, и, следовательно, большим активным электрическим сопротивлением. В этом варианте исполнения кольцевой элемент катода расположен соосно оси системы управления электронным потоком и оси анода и выполнен в виде одного или более одного витков провода, при этом часть длины указанного провода представляет собой отрезок сечением, меньшим сечения оставшегося отрезка этого провода. Это позволяет обеспечить необходимую температуру для эмиссии электронов. Вследствие этого этот участок при подаче напряжения на кольцевой элемент будет нагреваться до температуры, достаточной для эффективной эмиссии электронов. Для достижения большего эффекта этот отдельный элемент может покрываться материалом с повышенной эмиссионной способностью подобно оксидному катоду.
В другом варианте исполнения кольцевой элемент катода так же расположен соосно оси системы управления электронным потоком и оси анода и выполнен в виде одного или более одного витков провода. При этом часть длины указанного провода выполнена из материала, отличного от материала другой части длины этого же провода. В другом варианте весь кольцевой элемент может быть изготовлен из материала с высокой эмиссионной способностью, а отдельный участок выполнен существенно меньшим по длине и с меньшим поперечным сечением.
Для этих вариантов противоположная сторона кольцевого элемента 13 соединена с высоковольтным выводом 3, а рядом с кольцевым элементом за пределами вакуумной оболочки 4 установлена первичная катушка трансформатора 12, вторичной обмоткой которого использован указанный кольцевой элемент 13.
Один из концов накальной цепи катода выведен через изолированный электрод (высоковольтный вывод 3), проходящий через оболочку 4 трубки и соединен с высокопотенциальным отрицательным выходом источника питания рентгеновской трубки, тогда как другой выход соединен с анодом и заземлен или соединен с корпусом и нулевым проводом первичной цепи всего источника питания и аппарата в целом.
Предлагаемое конструктивное решение рентгеновской трубки не исключает расположение вместе с трансформатором вблизи катодного узла и самого генератора высокочастотных колебаний.
Рассмотренные примеры исполнения трубки по фиг.3 касаются варианта, когда кольцевой элемент одним концом присоединен к подогревателю катода. Но возможен вариант исполнения, согласно которого катод или его нагреватель могут быть встроены в кольцевой элемент (фиг.4 и 5). На этих фигурах показана рентгеновская трубка, содержащая корпус в виде вакуумной оболочки, выполненной из изолирующего материала с несколькими вводами в торце, размещенные внутри вакуумной оболочки прямонакальный или с косвенным подогревом катод, выполненный в виде кольцевого элемента, систему управления электронным потоком, анод с мишенью и выходное окно. Кольцевой элемент катода расположен соосно оси системы управления электронным потоком и оси анода и выполнен в виде одного или более одного витков провода, в разрыв которого подключен прямонакальный косвенного подогрева катод. Противоположная сторона кольцевого элемента соединена с высоковольтным выводом, а рядом с кольцевым элементом за пределами вакуумной оболочки установлена первичная катушка трансформатора, вторичной обмоткой которого использован указанный кольцевой элемент.
На фиг.6 представлен третий пример исполнения рентгеновской трубки. На этом рисунке приняты те же обозначения, что и в рассмотренных ранее примерах. Отличие заключается в том, что со стороны катода вакуумная диэлектрическая оболочка выполнена с двумя полостями А и Б, при этом полость А соединяется с внутренней частью рентгеновской трубки, а полость Б заполнена окружающей средой и имеет форму стакана. В такой конструкции удалось повысить коэффициент преобразования напряжения внешнего генератора в ток накала катода, за счет помещения в полость Б магнитного сердечника в виде одного или нескольких колец. Таким образом, в пространстве, охватываемым обеими катушками, устанавливается магнитный сердечник.
1. Рентгеновская трубка, содержащая корпус в виде вакуумной оболочки, выполненной из изолирующего материала с несколькими вводами в торце, размещенные внутри вакуумной оболочки прямонакальный или с косвенным подогревом катод, выполненный в виде кольцевого элемента, систему управления электронным потоком, анод с мишенью и выходное окно, отличающаяся тем, что для обеспечения необходимой температуры для эмиссии электронов кольцевой элемент катода расположен соосно оси системы управления электронным потоком и оси анода и выполнен в виде одного или более одного витков провода, при этом часть длины указанного провода представляет собой отрезок сечением, меньшим сечения оставшегося отрезка этого провода, или часть длины указанного провода выполнена из материала, отличного от материала другой части длины этого же провода, противоположная сторона кольцевого элемента соединена с высоковольтным выводом, а рядом с кольцевым элементом за пределами вакуумной оболочки установлена первичная катушка трансформатора, вторичной обмоткой которого использован указанный кольцевой элемент.
2. Рентгеновская трубка по п.1, отличающаяся тем, что на отрезок провода с меньшим сечением нанесен материал с высокой эмиссионной способностью.
3. Рентгеновская трубка по п.1, отличающаяся тем, что рядом с катушкой установлен генератор переменного тока.
4. Рентгеновская трубка по п.1, отличающаяся тем, что в пространстве, охватываемом обеими катушками, установлен магнитный сердечник.
5. Рентгеновская трубка, содержащая корпус в виде вакуумной оболочки, выполненной из изолирующего материала с несколькими вводами в торце, размещенные внутри вакуумной оболочки прямонакальный или с косвенным подогревом катод, выполненный в виде кольцевого элемента, систему управления электронным потоком, анод с мишенью и выходное окно, отличающаяся тем, что для обеспечения необходимой температуры для эмиссии электронов кольцевой элемент катода расположен соосно оси системы управления электронным потоком и оси анода и выполнен в виде одного или более одного витков провода, в разрыв которого подключен прямонакальный или косвенного подогрева катод, при этом противоположная сторона кольцевого элемента соединена с высоковольтным выводом, а рядом с кольцевым элементом за пределами вакуумной оболочки установлена первичная катушка трансформатора, вторичной обмоткой которого использован указанный кольцевой элемент.
