Управляемый источник рентгеновского излучения
Управляемый источник рентгеновского излучения относится к рентгенотехнике, в котором для получения технического результата, заключающемся в упрощении конструкции, повышении надежности и расширении области его применения за счет исключения «выбросов» напряжения на аноде рентгеновской трубки, уменьшения длительности переднего и заднего фронтов импульсов, генерируемого рентгеновского излучения, и повышении частоты следования этих импульсов управляемый источник рентгеновского излучения на основе трехэлектродной рентгеновской трубки, содержащей вынесенный из вакуумного объема анод, состоящий из пролетной анодной трубы и установленной на торце трубы мишени прострельного типа, а также кольцевой электромагнит, соосно надетый на анодную трубу, на анодную трубу дополнительно надет второй кольцевой электромагнит, продольная ось которого смещена относительно оси рентгеновской трубки на расстояние большее, чем радиус мишени, а на торце трубы установлена диафрагма с диаметром отверстия меньшим, чем диаметр мишени, при этом питание дополнительного электромагнита осуществляется от импульсного источника напряжения с регулируемой длительностью и частотой следования импульсов 1 незав. п. ф-лы, 2 илл.
Полезная модель относится к рентгенотехнике, а точнее к конструкциям управляемых источников излучения.
Известен управляемый источник рентгеновского излучения на основе трехэлектродной трубки с автоэмиссионным катодом. В качестве высоковольтного источника питания трубки используется импульсный источник напряжения с емкостным накопителем. Конструкция позволяет регулировать частоту следования импульсов излучения с помощью генератора управляющего сигнала - модулятора. С этой целью сигнал от модулятора подается на управляющий электрод трубки. К недостаткам конструкции относится невозможность регулирования длительности и формы импульсов рентгеновского излучения, а также высокая нестабильность интенсивности этого излучения, обусловленная механизмом возникновения автоэлектронной эмиссии. Вследствие чего разница в величине интенсивности излучения от импульса к импульсу может достигать 50%, (Мощные наносекундные импульсы рентгеновского излучения. Г.А. Месяц, С.А. Иванов, Н.И. Комяк, Е.А. Пеликс - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 168 с).
Известен источник рентгеновского излучения на основе трехэлектродной рентгеновской трубки с термоэмиссионным катодом, который помещен внутрь полого тонкостенного цилиндра, используемого в качестве управляющего электрода (Иванов С.А., Щукин Г.А. Рентгеновские трубки технического назначения. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. 167 с). На электрод подается управляющее напряжение отрицательной по отношению к катоду полярности. В торце цилиндра выполнено отверстие для выпуска электронов. Рентгеновская трубка такой конструкции как трехэлектродная электронная лампа имеет низкую крутизну. Поэтому одним из основных недостатков этой конструкции является необходимость использовать высоковольтный (от нескольких сот вольт до нескольких киловольт) управляющий сигнал, а также развязывающий трансформатор.
В качестве прототипа (Фиг. 1) выбран источник излучения на основе трехэлектродной рентгеновской трубки, включающей в себя вакуумный баллон 1 с термоэмиссионным прямонакальным катодом 2, управляющий электрод 3 и вынесенный из вакуумного объема анод, состоящий из пролетной анодной трубы 4 и установленной на торце трубы мишени анода прострельного типа 5. Анод трубки заземлен, ускоряющее напряжение отрицательной полярности подается на катод 2 от высоковольтного источника постоянного напряжения (ВИПН) 6. Питание катода 2 осуществляется через накальный развязывающий трансформатор 7. Фокусировка пучка электронов 8, эмиттированных катодом 2 и ускоренных полем анода, осуществляется с помощью магнитного поля путем пропускания тока определенной величины через обмотку электромагнита 9 от источника постоянного напряжения (ИПН) 10. Управляющее напряжение U упр в виде импульсов прямоугольной формы подается на управляющий электрод 3 через сеточный развязывающий трансформатор 11, (Иванов С.А., Потрахов Н.Н., Мазуров А.И. Новые диагностические возможности микрофокусной рентгенографии. // Петербургский журнал электроники, 1998. 
2. С. 12-16).
Такая конструкция позволяет регулировать частоту следования, длительность и форму импульсов рентгеновского излучения. Однако обладает рядом существенных недостатков:
- наличие двух трансформаторов (накального 7 и сеточного 11), рассчитанных на полное напряжение рентгеновской трубки, усложняет конструкцию источника излучения и снижает надежность его работы за счет появления двух дополнительных высоковольтных элементов в электрической схеме;
- наличие емкости сетка-катод в конструкции катодно-сеточного узла рентгеновской трубки при большой амплитуде управляющего (сеточного напряжения), собственных емкости и индуктивности, а также паразитной емкости обмоток сеточного трансформатора 11, обусловленных особенностями его конструкции, ограничивают максимальную частоту следования и увеличивают (затягивают) фронты импульсов рентгеновского излучения;
- ВИПН 6 работает попеременно: то в режиме полной нагрузки, то в режиме «холостого» хода. Вследствие переходных процессов на трубке возникают «выбросы» напряжения, существенно превышающие напряжение подаваемое от ВИПН 6. Поэтому приходится принимать дополнительные меры по обеспечению как электрической прочности конструкции, так и стабильности напряжения, а также тока рентгеновской трубки.
Вышесказанное в целом значительно усложняет электрическую схему и конструкцию источника излучения и сужает область применения источника в тех устройствах, где частота следования и форма импульсов имеют важное значение, например, при формировании модулированных сигналов в системах передачи информации.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции источника рентгеновского излучения, повышение надежности и расширение области его применения за счет исключения «выбросов» напряжения на аноде рентгеновской трубки, уменьшения длительности переднего и заднего фронтов импульсов, генерируемого рентгеновского излучения и повышение частоты следования этих импульсов.
Для получения указанного результат предлагается использовать управляемый источник рентгеновского излучения на основе трехэлектродной рентгеновской трубки, содержащей вынесенный из вакуумного объема анод, состоящий из пролетной анодной трубы и установленной на торце трубы мишени прострельного типа, а также кольцевой электромагнит, соосно надетый на анодную трубу, на анодную трубу дополнительно надет второй кольцевой электромагнит, продольная ось которого смещена относительно оси рентгеновской трубки на расстояние большее, чем радиус мишени, а на торце трубы установлена диафрагма с диаметром отверстия меньшим, чем диаметр мишени, при этом питание дополнительного электромагнита осуществляется от импульсного источника напряжения с регулируемой длительностью и частотой следования импульсов.
Сущность заявляемого технического решения поясняется фиг. 2, на которой представлена схема управляемого источника рентгеновского излучения.
В состав источника входят: трехэлектродная рентгеновская трубка, содержащая вакуумный баллон 1, катод 2, фокусирующий электрод 3 и вынесенный из вакуумного объема анод, состоящий из пролетной анодной трубы 4, изготовленной из алюминия, и установленной на торце трубы вольфрамовой прострельной мишени анода 5. Анод трубки заземлен, ускоряющее напряжение отрицательной полярности подается на катод 2 от высоковольтного источника постоянного напряжения (ВИПН) 6. Питание катода 2 осуществляется через накальный развязывающий трансформатор 7. Фокусировка пучка электронов 8, эмиттированных катодом 2 и ускоренных полем анода, осуществляется с помощью магнитного поля путем пропускания тока определенной величины через обмотку электромагнита 9 от источника постоянного напряжения (ИПН) 10. На анодную трубу 4 дополнительно надет второй кольцевой электромагнит 11, продольная ось которого смещена относительно оси рентгеновской трубки на расстояние большее, чем радиус мишени анода 5. Питание электромагнита осуществляется от импульсного источника напряжения (ИИН) 12 с регулируемой длительностью и частотой следования импульсов питания. На торце трубы 4 укреплена свинцовая диафрагма 13 с диаметром отверстия меньшим, чем диаметр мишени 5.
Работа предлагаемого источника рентгеновского излучения происходит следующим образом: электроны, эмиттированные катодом 2, ускоряются электрическим полем анода, формируются магнитным полем фокусирующей системы в узкий направленный пучок 8 и попадают на мишень анода 5. В результате торможения ускоренного пучка электронов 8 на мишени анода 5 генерируется рентгеновское излучение. Для управления потоком рентгеновского излучения на дополнительный электромагнит 11 подается напряжение от источника ИИН 12. Под воздействием магнитного поля дополнительного магнита 11 траектория движения пучка электронов 8 смещается относительно оси рентгеновской трубки. В этом случае торможение пучка электронов происходит не на мишени анода 5, а на торцевом участке анодной трубы 4.
Предлагаемое техническое решение основано на следующих расчетах. Интенсивность генерируемого источником рентгеновского излучения может быть определена в соответствии с выражением (Быстрое Ю.А., Иванов С.А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы: учебник для ВУЗов. - М.: Высшая школа, 1983)
J=ikzU2,
где k - коэффициент пропорциональности; i - ток рентгеновской трубки; z - порядковый номер мишени анода; U - напряжение на рентгеновской трубке.
Поскольку порядковый номер алюминия (материал анодной трубы) меньше, чем порядковый номер вольфрама (материал мишени анода), интенсивность J афокального рентгеновского излучения от алюминия после подачи импульса питания на дополнительный магнит меньше почти в шесть раз. Дополнительно афокальное излучение ослабляется до необходимого уровня свинцовой диафрагмой 13.
Предлагаемая конструкция управляемого источника рентгеновского излучения при прочих равных условиях обеспечивает:
- во-первых, высокую стабильность напряжения и тока рентгеновской трубки;
- во-вторых, крутые фронты и ровную «полку» каждого импульса рентгеновского излучения с отсутствием каких-либо выбросов;
- в третьих, простоту и надежность схемотехнических решений.
Управляемый источник рентгеновского излучения на основе трехэлектродной рентгеновской трубки, содержащей вынесенный из вакуумного объема анод, состоящий из пролетной анодной трубы и установленной на торце трубы мишени прострельного типа, а также кольцевой электромагнит, соосно надетый на анодную трубу, отличающийся тем, что на анодную трубу дополнительно надет второй кольцевой электромагнит, продольная ось которого смещена относительно оси рентгеновской трубки на расстояние, большее, чем радиус мишени, а на торце трубы установлена диафрагма с диаметром отверстия, меньшим, чем диаметр мишени, при этом питание дополнительного электромагнита осуществляется от импульсного источника напряжения с регулируемой длительностью и частотой следования импульсов.
