АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Рентгеновские трубки

2.1. Общие требования к рентгеновским трубкам

Исторически первыми областями практического использования рентгеновского излучения стали медицинская диагностика и просвечивание материалов. На начальном этапе развития рентгенотехники для получения теневых картин исследуемых объектов применялись ионные рентгеновские трубки. Работы Р. Лилиенфельда и особенно К. Кулиджа (1912–1913 гг.) привели к созданию электронных трубок с термокатодом, получивших в дальнейшем исключительно широкое распространение.

В настоящий момент благодаря успехам вакуумной техники и технологии рентгеновские трубки значительно усовершенствованы. Развитая номенклатура существующих рентгеновских трубок позволяет решить широчайший спектр практических задач различного рода: в областях рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа, рентгенографии быстропротекающих процессов, исследования фазового и элементного состава в промышленных и научных целях, контроля качества изделий микроэлектроники и полупроводниковой техники, рентгеновской локации, рентгенолюминесцентной сепарации горных пород, рентгенолитографии и многих других.

Условное обозначение рентгеновских приборов (маркировка) определено в ОСТ 11.073.807–82 «Приборы электровакуумные. Система условных обозначений» и отражает назначение, а иногда и основные параметры приборов. В соответствии с ОСТ условное обозначение включает в себя комбинацию цифр и букв: цифра \ буквы \ цифра \ - цифра.

Первая цифра в обозначении рентгеновских трубок для промышленного просвечивания, структурного и спектрального анализа означает предельную допустимую мощность при длительном включении в киловаттах. Далее следует буква, обозначающая способ защиты от излучения: «Р» – обеспечивается полная защита; «Б» – требуется дополнительная защита элементами кожуха или моноблока аппарата. Следующая буква обозначает область применения: «П» – для промышленного просвечивания; «X» – для спектрального анализа; «С» – для структурного анализа; «М» – для медицинского просвечивания; «Т» – для терапии; «Д» – для дефектоскопии.

Третья буква обозначает характер (способ) принудительного охлаждения: «В» – водяное; «К» – воздушное; «М» – масляное. Отсутствие третьей буквы означает охлаждение естественной конвекцией или лучеиспусканием. Следующая за буквами цифра обозначает порядковый номер прибора в данной группе.

Следующая цифра в обозначении трубок для промышленного просвечивания (пишется через дефис) указывает предельное допустимое анодное напряжение в киловольтах. Последним элементом условного обозначения трубок для структурного и спектрального анализа (пишется через дефис) является символ материала мишени анода. Иногда к стандартному обозначению трубки добавляется римская цифра в скобках, указывающая на внешнее конструктивное оформление прибора (если этого требуют различные конструкции защитных кожухов аппаратуры старых и новых модификаций).

2.2. Катоды рентгеновских трубок

Катодный узел предназначен для формирования электронного потока заданной формы. Конструкция катодного узла включает в себя токоведущие провода, держатель катода, токоведущие стойки, нить накала, катодный экран и изолятор.

В качестве источника электронов чаще всего используется или прямонакальный термокатод, или автоэлектронный эмиттер. Катод крепится (методом сварки, либо механически) к молибденовым стойкам, одна из которых крепится к держателю катода и имеет с ним электрический контакт, а другая механически фиксируется на держателе катода, но отделена от него изолятором. Токоведущие провода подводятся к изолированной стойке и к держателю катода и выводятся за пределы вакуумной оболочки. Для того чтобы избежать паразитной эмиссии электронов от токоведущих проводов, к фокусирующему электроду приваривается экран.

Для того чтобы эмитируемый поток электронов имел определенную форму на всем пути от катода до мишени анода, конструкция катодного узла представляет собой электронно-оптическую систему (рис. 2.1). Эффект фокусировки электронного пучка обеспечивает определенная форма катода и отверстия в катодном экране. К катодам трубок, наряду с общими требованиями к катодам электровакуумных приборов (обеспечивать необходимый и устойчивый ток эмиссии в процессе всего срока службы, хорошо обезгаживаться и не ухудшать вакуум в приборе в рабочих режимах, иметь достаточный срок службы и т. д.), предъявляются специальные требования: стабильности работы при большой напряженности поля на поверхности катода и возможности регулировки тока эмиссии в широких пределах.

Рис. 2.1. Конструкции катодов

В качестве источников электронов современных рентгеновских трубках, как правило, применяются термо- и ненакаливаемые катоды.

Рабочие температуры вольфрамового катода лежат в пределах 2300-2650 К, при этом плотность тока эмиссии может составлять 0,3-0,7 А/см² при эффективности 2^-10 мА/Вт.

В ряде рентгеновских трубок (например, в трубках для структурного анализа, где важно исключить попадание материала катода на мишень в результате термоиспарения) необходимо использовать катоды с более низкой рабочей температурой. В этом случае применяются карбидированные торированные вольфрамовые катоды. Рабочая температура таких катодов составляет 1900-2000 К, плотность тока 1-3 А/см², эффективность 50-70 мА/Вт.

2.3. Аноды рентгеновских трубок

Анодные узлы рентгеновских трубок предназначены непосредственно для генерации рентгеновского излучения. Анодом рентгеновской трубки называется электрод, выполняющий функции мишени или несущий мишень трубки. Часть рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронов на мишени, предназначенная для полезного использования и заключенная в телесном угле, вершина которого лежит в центре действительного фокусного пятна, называется рабочим пучком излучения трубки. Геометрические характеристики рабочего пучка излучения (его направление и телесный угол) зависят от конструкции рентгеновской трубки и ее анода.

Конструктивно аноды могут быть выполнены массивными или прострельными. Массивный анод (рис. 2.2) состоит из тела анода и мишени (составной анод). Материал тела анода должен обладать высокой теплопроводностью, так как через тело анода отводится теплота к охлаждающему устройству. Чаще всего тело анода изготавливают из меди, обладающей довольно высокой температурой плавления (1360 К), хорошими вакуумными свойствами, высокими теплоемкостью и теплопроводностью.

Рис. 2.2. Конструкция анодного узла массивного типа:

1 – мишень, 2 – тело анода, 3 – центральная охлаждающая трубка, 4 – соединительное
коваровое кольцо, 5 – край стеклянного баллона

К мишени, наносимой на поверхность анода, предъявляются следующие требования: ее температура плавления должна быть высокой, а упругость паров при высокой температуре – низкой. В трубках, предназначенных для получения тормозного излучения, мишени изготавливают из вольфрама. Для получения характеристического излучения определенной жесткости (трубки для рентгеноструктурного анализа и рентгеноспектрального анализа) мишени изготовляют из различных материалов (хром, железо, медь, молибден, серебро и др.).

В ряде случаев мишень как конструктивный элемент в трубке отсутствует, а ее функции выполняет поверхность тела анода (однородный анод). Основное требование при изготовлении массивного анода с мишенью – хороший тепловой контакт между мишенью и телом анода. Это требование обеспечивается различными технологическими приемами: вакуумной плавкой, диффузионной сваркой электрохимическим нанесением.

К медному телу анода с мишенью крепится сваркой фланец, посредством которого анодный узел подсоединяется к баллону трубки. Радиатор закрепляется на хвостовике анода способом горячей посадки после откачки трубки. Для обеспечения надежного теплового контакта сопрягаемые поверхности тела анода и радиатора тщательно обрабатываются. Для увеличения поверхности теплообмена радиатор выполняется многореберным. В качестве охлаждающей среды могут применяться масло, вода или воздух. В зависимости от конструкции излучателей и режимов работы охлаждение бывает принудительным (посредством насосов) или естественным. В трубках большой (до 4 кВт) мощности, работающих в длительном непрерывном режиме, применяются системы проточного жидкостного охлаждения. В качестве хладагента используется вода или трансформаторное масло.

2.4. Оболочка рентгеновских трубок

Вакуумная оболочка рентгеновской трубки предназначена для отделения вакуумного объема прибора от внешней среды, закрепления электродов в определенном положении и изоляции их друг от друга. Баллон изготавливается методом выдувания в специальные формы, позволяющие формировать необходимую конфигурацию баллона с достаточной точностью (рис. 2.4). Соединение электродов: Электроды с баллоном соединяются пайкой. При этом собранные на стеклянных ножках катодный и анодный узлы герметично соединяются с баллоном на специальных заварочных станках.

Рис. 2.4. Типы вакуумных оболочек

Средняя часть баллона расширена для увеличения электрической прочности. Это способствует также уменьшению удельной тепловой нагрузки на поверхность стекла за счет теплового излучения с катода и анода. Длина баллона выбирается с учетом рабочего напряжения трубки и среды, в которой она будет эксплуатироваться. В месте, где, предполагается, будет происходить выпуск излучения, толщину стенки уменьшают методом шлифовки – создают особое выпускное окно. Другим вариантом является использование выпускного окна из вакуум-плотного бериллия.

При некоторых физических исследованиях, например при анализе структуры кристаллических веществ, рентгеновская трубка используется как источник характеристического излучения точно известного спектрального состава. Последний определяется атомным номером материала мишени. Однако в процессе работы трубки в спектре ее характеристического излучения могут появиться линии посторонних элементов. Происходит, как принято говорить, загрязнение спектра трубки. Это явление ограничивает гарантийную наработку приборов для рентгеноструктурного анализа. Наличие в спектре линий посторонних элементов усложняет расшифровку рентгено- и дифрактограмм и может приводить к ошибкам при интерпретации результатов рентгеноструктурного эксперимента.

Перенос вещества между конструктивными элементами электровакуумного прибора может происходить в результате различных физических процессов. Более детально рассмотрим те из них, которые могут приводить к попаданию посторонних веществ на мишень рентгеновской трубки. Априорно такими процессами можно считать:

1) термическое испарение материала нити накала;

2) термическое испарение материалов фокусирующего устройства и некоторых элементов катодной аппаратуры в результате их нагрева под действием лучистого потока от нити накала;

3) ионную бомбардировку катодного узла при недостаточно высоком вакууме, приводящую к распылению материалов катодной арматуры;

4) взрыв микроострий (на поверхности фокусирующего устройства и других элементов катодного узла) при их нагреве автоэмиссионным током;

5) разрядные явления и случайные пробои (в том числе разряды как технологический прием улучшения вакуума в отпаянной трубке при ее тренировке), сопровождающиеся интенсивной ионной бомбардировкой катодного узла, при которых возможен отрыв с поверхности элементов катодной арматуры микрочастиц.

Обычно оболочки (баллоны) первого типа изготавливаются из стекла молибденовой группы (С52-1, С47-1), имеющего хорошие вакуумные, термические и диэлектрические свойства. Коэффициент термического расширения этих стекол позволяет производить согласованные спаи с молибденом и коваром (сплав 29НК).

Конфигурация баллона определяется назначением трубки и зависит от ее мощности и рабочего напряжения. Если выпуск излучения осуществляется непосредственно через стенку баллона, то стекло в соответствующем месте и иногда утончают путем шлифовки – создают специфическое выпускное окно.

В целях повышения точности сборки трубки для соединения с катодным и анодным узлами часто применяют стеклянные баллоны, армированные коваровыми кольцами. В этом случае катодные и анодные узлы собирают на металлических ножках, которые вакуумплотно соединяют с коваровыми кольцами аргонодуговой или лазерной сваркой.

Рентгеновские трубки в зависимости от их назначения могут работать на постоянном, переменном (промышленной или повышенной частоты) и импульсном (разной длительности) напряжении. Исследования некоторых типов трубок при напряжении различной формы показывают, что более высокую электрическую прочность они имеют при работе на импульсном напряжении, а наименьшую – при постоянном напряжении.

Дата добавления: 2015-12-15 | Просмотры: 1031 | Нарушение авторских прав