Генератор импульсного рентгеновского излучения
Предлагаемое устройство является источником импульсного рентгеновского излучения и может быть использовано в промышленном производстве (дефектоскопия), медицинской диагностике, научных исследованиях, в системах безопасности. Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в рентгеновской трубке катод выполняют точечным, с площадью эмиссионной поверхности не более 10 -6 м2, анод выполняют в виде полого цилиндра, имеющего плоский торец из материала, прозрачного для рентгеновского излучения и на поверхность торцевого плоского прозрачного для рентгеновского излучения окна, со стороны вакуумного объема, напротив катода, наносят рентгеновскую мишень, при этом расстояние между катодом и анодом задают не менее 5·10-4 м, а в генераторе импульсов высокого напряжения формирователь высоковольтных импульсов напряжения выполняют в виде высоковольтного газоразрядного, либо вакуумного коммутатора, последовательно соединенного с первичной обмоткой импульсного высоковольтного трансформатора. 1 н.п.ф., 1 илл.
Предлагаемая полезная модель является источником импульсов рентгеновского излучения и может быть использована в промышленном производстве (дефектоскопия), медицинской диагностике, научных исследованиях, в системах безопасности.
Известно устройство для генерации импульсного рентгеновского излучения (XR200) длительностью 5·10-8 секунды, заданной максимальной энергией рентгеновских квантов 200 кэВ и минимальным размером фокусного пятна рентгеновского излучателя 2 мм. Устройство состоит из рентгеновского излучателя (импульсной рентгеновской трубки) и генератора высоковольтных импульсов (Golden Ingineering Co. Pvt.Ltd., www.goldenengineering.com).
Существенное ограничение в использовании данного устройства связано с большим линейным размером фокусного пятна, задающим низкую разрешающую способность рентгеновского излучателя, малой длительностью импульса излучения, ограничивающей эффективную дозу излучения и фиксированным значением максимальной энергии рентгеновских квантов.
Известен генератор импульсного рентгеновского излучения (патент на полезную модель РФ 
80645, H05G 1/22, опубл. 10.02.2009), в состав которого входит импульсная рентгеновская трубка и генератор высоковольтных импульсных напряжений. Данное устройство позволяет получать рентгеновские импульсы с фиксированной максимальной энергией рентгеновских квантов, определяемой импульсным напряжением 200 кВ, ускоряющим электронный пучок в рентгеновской трубке. Длительность импульсов излучения составляет ~10-9 с, линейный размер фокусного пятна рентгеновского излучения 2 мм. Рентгеновская трубка представляет собой двухэлектродную систему - вакуумный высоковольтный диод с катодом в виде плоского диска и анодом в виде конусообразного протяженного стержня. Генератор высоковольтного импульсного напряжения состоит из первичного накопителя энергии с низковольтным коммутатором, импульсного высоковольтного трансформатора, разрядника-обострителя.
Данное устройство имеет так же ряд существенных недостатков: не позволяет получать рентгеновские импульсы с регулируемой энергией рентгеновских квантов, т.к. для ускорения электронного пучка в рентгеновской трубке используется фиксированное импульсное напряжение амплитудой 200 кВ; длительность импульсов излучения составляет ~10-9 с, что резко снижает эффективную мощность излучения даже при частотно-импульсном включении генератора; линейный размер фокусного пятна рентгеновского излучения 2 мм резко снижает разрешающую способность устройства.
Настоящее устройство выбрано за прототип.
В основу предлагаемой полезной модели положена задача создания генератора импульсного рентгеновского излучения, который позволяет обеспечить: генерацию импульсного рентгеновского излучения высокой интенсивности с линейным размером фокусного пятна излучателя 0.05-0.5 мм, с возможностью регулирования максимальной энергии рентгеновских квантов в диапазоне 10-150 кэВ и регулируемой длительностью импульсов рентгеновского излучения в пределах 10-8-10-6 с. При этом существенно снижаются габариты рентгеновского генератора по отношению к существующим образцам, прежде всего из-за малых размеров рабочих элементов рентгеновской трубки и высоковольтного генератора импульсных напряжений.
Решение задачи обеспечивается тем, что в генераторе импульсного рентгеновского излучения, состоящем из рентгеновского излучателя в виде вакуумно плотного электроизолирующего корпуса, в вакуумном объеме которого размещают диодную высоковольтную систему с катодом, закрепленным с электрическим контактом на высоковольтном вводе и установленным напротив анода - мишени, имеющей окно вывода рентгеновского излучения из вакуумного объема и генератора импульсов высокого напряжения, состоящего из источника высокого напряжения с накопительной электрической емкостью и формирователя высоковольтных импульсов напряжения, в рентгеновской трубке катод выполнен точечным, с площадью эмиссионной поверхности не более 10-6 м2, анод выполнен в виде полого цилиндра, имеющего тонкостенный плоский торец из материала, прозрачного для рентгеновского излучения и на поверхность торцевого плоского прозрачного для рентгеновского излучения окна, со стороны вакуумного объема, напротив точечного катода, наносят рентгеновскую мишень, при этом расстояние между катодом и анодом не менее 5-10-4 м, а в генераторе импульсов высокого напряжения формирователь высоковольтных импульсов напряжения выполнен в виде высоковольтного газоразрядного либо вакуумного коммутатора, последовательно соединенного с первичной обмоткой импульсного высоковольтного трансформатора.
Указанные отличия обеспечивают решение поставленной задачи.
Использование точечного катода с жестко ограниченной эмиссионной поверхностью совместно с анодом в виде полого цилиндра обеспечивает импульсный электронный ток ~10-102 А на мишень, нанесенную на торцевую поверхность анода - мишени. При этом плотность тока электронного пучка на аноде ~102-104 А/см 2 позволяет получать за импульс дозу рентгеновского излучения ~10-1 Рентген.
Общая геометрия диодной системы рентгеновской трубки рассчитана таким образом, что позволяет получать фокусное пятно рентгеновского излучателя не более 0,5 мм.
Расстояние катод - анод ~10-4-10 -2 м обеспечивает устойчивую работу излучателя при импульсных напряжениях 10-140 кВ и длительности импульсов напряжения ~10 -8-10-6 с.
Рентгеновская трубка представляет собой систему, состоящую из двух электродов: катода и анода - мишени, при этом мишень нанесена в виде тонкой пленки на торцевую поверхность анода, представляющую собой твердотельный плоский диск, прозрачный для рентгеновского излучения.
На аноде - мишени энергия электронного пучка, источником которого является катод, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Электродная система катод - анод размещена в вакуумной колбе, изготовленной из вакуумного электроизолирующего материала, который обеспечивает электрическую изоляцию анода от катода. Катод закреплен с электрическим контактом на высоковольтном вводе и обеспечивает эффективную работу рентгеновской трубки при давлении остаточных газов в вакуумной колбе ~10-4-10-7 Торр. Предлагаемая рентгеновская трубка работает без принудительного охлаждения анода - мишени. Испытания устройства в условиях максимальной интенсивности рентгеновского излучения показали рабочий ресурс ~104 импульсных включений.
Полезная модель поясняется фиг.1, на которой приведена схема конструкции рентгеновской трубки, содержащей вакуумную колбу 1 из электроизолирующего вакуумного материала, например, из стекла или керамики, с внутренним вакуумным объемом. В вакуумном объеме находятся катод (2). Напротив катода находится торцевая поверхность анода (3), на которую нанесена мишень (4). На торцевой поверхности анода используется вакуумноплотный материал, прозрачный для рентгеновского излучения, например бериллий. Катод закреплен на высоковольтном электрическом вводе (5) с электрическим контактом. Электрический контакт с анодом 3 обеспечивается через внешнюю боковую поверхность анода. Анод - мишень 4 выполнен из электропроводящего материала и выполняет одновременно с анодной функцию преобразователя энергии электронного пучка в энергию рентгеновского излучения. Катод 2 подключен через высоковольтный ввод к генератору импульсного напряжения. Анод заземлен. Генератор импульсного напряжения, блок-схема которого представлена на чертеже (фиг.1), состоит из высоковольтного блока питания 5, сильноточного высоковольтного коммутатора II и повышающего напряжение импульсного трансформатора III. Высоковольтный блок питания 5 состоит из источника постоянного напряжения 1-4 кВ (ИПН), который работает от источника постоянного (аккумулятор или сеть), либо переменного напряжения 12-220 В и заряжаемой этим источником через активное сопротивление R накопительной емкости С. Сильноточный высоковольтный коммутатор II - газоразрядный прибор, рассчитанный на управляемую коммутацию, либо на коммутацию при самопробое с обеспечением токов коммутации не менее 2000 А. Время коммутации ~10-8 -10-6 с.
Высоковольтный импульс напряжения отрицательной полярности подается с высоковольтного импульсного генератора через высоковольтный ввод на точечный катод 2 рентгеновской трубки. Анод - мишень 4 заземлен. Импульс напряжения вызывает интенсивную электронную эмиссию с катода 2 (эмиссионный ток с катода 10-100 А) и последующее формирование электронного пучка в промежутке анод (мишень) 4 - катод 2 в соответствии с геометрией диодного промежутка. Электронный пучок, попадая на рабочую поверхность анода - мишени 4, взаимодействует с материалом мишени 4, вызывая генерацию рентгеновского излучения, выходящего через окно, прозрачное для рентгеновских квантов.
По конструкции предлагаемого устройства разработан и изготовлен действующий макет. Испытания макета показали его работоспособность и возможность получения указанных выше параметров, что подтверждает соответствие предлагаемой полезной модели критерию "промышленная применимость".
Генератор импульсного рентгеновского излучения, состоящий из рентгеновского излучателя в виде вакуумно-плотного электроизолирующего корпуса, в вакуумном объеме которого размещают диодную высоковольтную систему с катодом, закрепленным с электрическим контактом на высоковольтном вводе и установленным напротив анода - мишени, имеющей окно вывода рентгеновского излучения из вакуумного объема и генератора импульсов высокого напряжения, состоящего из источника высокого напряжения с накопительной электрической емкостью и формирователя высоковольтных импульсов напряжения, отличающийся тем, что в рентгеновской трубке катод выполнен точечным, с площадью эмиссионной поверхности не более 10-6 м2 , анод выполнен в виде полого цилиндра, имеющего тонкостенный плоский торец из материала, прозрачного для рентгеновского излучения и на поверхность торцевого плоского прозрачного для рентгеновского излучения окна, со стороны вакуумного объема напротив точечного катода наносят рентгеновскую мишень, при этом расстояние между катодом и анодом не менее 5·10-4 м, а в генераторе импульсов высокого напряжения формирователь высоковольтных импульсов напряжения выполнен в виде высоковольтного газоразрядного либо вакуумного коммутатора, последовательно соединенного с первичной обмоткой импульсного высоковольтного трансформатора.
