EA038599B1 - X-ray tube for radiation treatment of objects - Google Patents
X-ray tube for radiation treatment of objects Download PDFInfo
- Publication number
- EA038599B1 EA038599B1 EA202000267A EA202000267A EA038599B1 EA 038599 B1 EA038599 B1 EA 038599B1 EA 202000267 A EA202000267 A EA 202000267A EA 202000267 A EA202000267 A EA 202000267A EA 038599 B1 EA038599 B1 EA 038599B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- substrate
- target
- ray tube
- width
- axis
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J35/00—X-ray tubes
- H01J35/02—Details
- H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
- H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
- H01J35/112—Non-rotating anodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J35/00—X-ray tubes
- H01J35/02—Details
- H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
- H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
- H01J35/12—Cooling non-rotary anodes
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05G—X-RAY TECHNIQUE
- H05G1/00—X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
- H05G1/02—Constructional details
- H05G1/025—Means for cooling the X-ray tube or the generator
Landscapes
- Apparatus For Disinfection Or Sterilisation (AREA)
- X-Ray Techniques (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области рентгеновского оборудования для производства рентгеновского излучения и, в частности, к рентгеновской трубке, способной генерировать рентгеновское излучение (РИ) с относительно высокой интенсивностью в диапазоне энергий фотонов, обеспечивающим достаточную степень равномерности поглощенной в обрабатываемом объекте дозы. В частности, это изобретение ориентировано на производство рентгеновских трубок для радиационной обработки объектов и стерилизации продуктов питания. Однако следует понимать, что это изобретение может применяться без изменений в любой другой отрасли.The invention relates to the field of X-ray equipment for the production of X-ray radiation and, in particular, to an X-ray tube capable of generating X-ray radiation (RR) with a relatively high intensity in the range of photon energies, providing a sufficient degree of uniformity of the dose absorbed in the treated object. In particular, this invention is focused on the production of X-ray tubes for radiation treatment of objects and food sterilization. However, it should be understood that this invention can be applied without modification to any other industry.
Из уровня техники известна рентгеновская трубка, содержащая электроизоляционный корпус, внутренняя полость которого образует вакуумную камеру, расположенные в вакуумной камере источник свободных электронов - катод и анод, выполненный из подложки, на стороне которой, обращенной к катоду, нанесена мишень. Рентгеновская трубка также имеет каналы охлаждения анода, ось которых совпадает с осью выхода электронов из катода (WO 2004114353, опубл. 29.12.2002, H01J 35/08, H01J 35/12).An X-ray tube is known from the prior art, it contains an electrical insulating body, the inner cavity of which forms a vacuum chamber, a source of free electrons located in the vacuum chamber is a cathode and an anode made of a substrate on the side of which, facing the cathode, a target is applied. The X-ray tube also has anode cooling channels, the axis of which coincides with the axis of the exit of electrons from the cathode (WO 2004114353, publ. 29.12.2002, H01J 35/08, H01J 35/12).
В указанном изобретении массивный анод расположен под углом к оси трубки, в связи с чем РИ генерируется вбок от анода, не проходя через каналы охлаждения анода.In the specified invention, the massive anode is located at an angle to the axis of the tube, in connection with which the RI is generated laterally from the anode, without passing through the anode cooling channels.
Недостатком известного устройства является невозможность получения высокой интенсивности РИ на обрабатываемом объекте, требуемой для эффективной стерилизации продуктов питания в силу следующих причин:The disadvantage of the known device is the impossibility of obtaining high intensity RI at the processed object, required for effective sterilization of food products due to the following reasons:
невозможность обеспечения высокой удельной тепловой мощности, выделяемой при поглощении электронов в мишени (более 10 кВт при внешнем диаметре анодного блока менее 200 мм), требуемой для эффективной стерилизации, т.к. удельная тепловая мощность, выделяемая в фокальном пятне традиционной геометрии, ограничена температурой плавления материала анода и недостаточной эффективностью теплоотвода;the impossibility of providing a high specific thermal power released during the absorption of electrons in the target (more than 10 kW with an outer diameter of the anode block less than 200 mm) required for effective sterilization, because specific thermal power released in the focal spot of traditional geometry is limited by the melting temperature of the anode material and insufficient heat removal efficiency;
при указанном выводе РИ от мишени в сторону вакуумного объема трубки через боковое окно значительная часть сгенерированного РИ поглощается в массивном аноде (в силу симметричности диаграммы направленности тормозного излучения относительно оси пучка электронов) и не доставляется на обрабатываемый объект, что снижает эффективность преобразования энергии электронного пучка в РИ, участвующее в формировании поглощенной дозы, а, следовательно, также ограничивает ее интенсивность;With the indicated extraction of the RR from the target towards the vacuum volume of the tube through the side window, a significant part of the generated RR is absorbed in the massive anode (due to the symmetry of the bremsstrahlung radiation pattern relative to the electron beam axis) and is not delivered to the object being processed, which reduces the efficiency of conversion of the electron beam energy into RI, which participates in the formation of the absorbed dose, and, therefore, also limits its intensity;
каналы охлаждения не проходят через выходное окно, что при высокой интенсивности РИ может привести к перегреву и выходу из строя элементов конструкции выходного окна;the cooling channels do not pass through the exit window, which at a high RI intensity can lead to overheating and failure of the structural elements of the exit window;
в выходящем из бокового окна РИ присутствует значительная доля фотонов низкоэнергетической части спектра, что приводит к повышенному поглощению энергии РИ в поверхностных слоях обрабатываемого объекта, что, в свою очередь, не позволяет обеспечить в нем необходимую однородность поглощенной дозы.In the CMB emerging from the side window, there is a significant fraction of photons of the low-energy part of the spectrum, which leads to an increased absorption of CMB energy in the surface layers of the processed object, which, in turn, does not allow providing the necessary uniformity of the absorbed dose in it.
Из уровня техники известна рентгеновская трубка, содержащая электроизоляционный корпус, внутренняя полость которого образует вакуумную камеру, расположенные в вакуумной камере источник свободных электронов - катод и анод, выполненный из подложки, на стороне которой, обращенной к катоду, нанесена мишень, а также проточные каналы охлаждения подложки (патент US 6463123, опубл. 08.10.2002, МПК G21K 5/00).An X-ray tube is known from the prior art, it contains an electrical insulating body, the inner cavity of which forms a vacuum chamber, a source of free electrons located in the vacuum chamber is a cathode and an anode made of a substrate, on the side of which, facing the cathode, a target is applied, as well as flow cooling channels substrate (US patent 6463123, publ. 08.10.2002, IPC G21K 5/00).
Известное решение предназначено, в первую очередь, для стерилизации продуктов питания и дезинфекции объектов. Проблему повышения выхода рентгеновский лучей в известном устройстве решают за счет того, что мишень выполнена из нескольких слоев в виде сэндвича.The known solution is intended primarily for sterilizing food and disinfecting objects. The problem of increasing the yield of X-rays in the known device is solved due to the fact that the target is made of several layers in the form of a sandwich.
Каждый слой мишени выполнен из материала, производящего различный спектр рентгеновского излучения. При этом между указанными слоями, предназначенными для преобразования электронов в рентгеновские лучи, расположены теплопроводящие слои из того же материала, что и подложка.Each layer of the target is made of a material that produces a different spectrum of X-rays. In this case, between these layers intended for converting electrons into X-rays, there are heat-conducting layers made of the same material as the substrate.
Каналы охлаждения имеют ячеистую структуру, при этом ось каналов охлаждения выполнена перпендикулярной осям пучка электронов и выходящего рентгеновского излучения. Отводящая часть канала охлаждения выполнена соосно с подводящей его частью и является его продолжением, так что на всем протяжении каналы подвода и отвода находятся на равном расстоянии от плоскости мишени. Вода, используемая в качестве охлаждающей среды, проходит вдоль подложки перпендикулярно оси выхода рентгеновского излучения.The cooling channels have a cellular structure, while the axis of the cooling channels is made perpendicular to the axes of the electron beam and the outgoing X-ray radiation. The outlet part of the cooling channel is made coaxially with its inlet part and is its continuation, so that throughout the entire length of the supply and return channels are at an equal distance from the target plane. Water used as a cooling medium flows along the substrate perpendicular to the X-ray exit axis.
Недостатком известного устройства является невозможность получения высокой интенсивности РИ на обрабатываемом объекте, требуемой для эффективной стерилизации продуктов питания, т.к. термическое сопротивление перехода мишень - подложка в случае протяженной 2-х мерной мишени является достаточно высоким и удельная тепловая мощность, выделяемая в фокальном пятне, ограничена температурой плавления материала анода.The disadvantage of the known device is the impossibility of obtaining a high intensity of RI at the processed object, which is required for effective sterilization of food products, because The thermal resistance of the target - substrate transition in the case of an extended 2-D target is sufficiently high and the specific thermal power released in the focal spot is limited by the melting temperature of the anode material.
Еще одним недостатком является недостаточно высокая эффективность системы жидкостного теплоотвода от анодного блока, в которой каналы охлаждения направлены перпендикулярно оси пучка электронов и выхода рентгеновского излучения. Такая конструкция при высоких тепловых потоках приводит к появлению паровой прослойки между поверхностным слоем охлаждающей жидкости и анодным блоком, ведущей к существенному снижению эффективности теплоотвода, а следовательно, к ограниче- 1 038599 нию отводимой тепловой мощности.Another disadvantage is the insufficiently high efficiency of the liquid heat removal system from the anode block, in which the cooling channels are directed perpendicular to the axis of the electron beam and the X-ray radiation output. Such a design at high heat fluxes leads to the appearance of a vapor layer between the surface layer of the cooling liquid and the anode block, leading to a significant decrease in the efficiency of heat removal, and, consequently, to a limitation of the removed heat power.
По указанным причинам данное техническое решение не обеспечивает требуемую удельную мощность поглощенной дозы в обрабатываемом объекте.For these reasons, this technical solution does not provide the required specific absorbed dose rate in the object being processed.
Наиболее близким к заявленному решением является рентгеновская трубка, содержащая корпус, внутренняя полость которого образует вакуумную камеру, расположенные в вакуумной камере источник свободных электронов - катод и анод, выполненный из подложки, на стороне которой, обращенной к катоду, нанесена мишень, а также каналы подвода и отвода охлаждающей среды, при этом каналы подвода и отвода расположены перпендикулярно к оси анода по обе стороны от него один над другим и сообщаются между собой по оси анода, кроме того часть внешней стенки канала выполнена из материала, прозрачного для рентгеновского излучения, (СА 2464712, опубл. 07.08.2003, H01J 35/08, H01J 35/12).The closest to the claimed solution is an X-ray tube containing a housing, the internal cavity of which forms a vacuum chamber, a source of free electrons located in the vacuum chamber - a cathode and an anode made of a substrate, on the side of which, facing the cathode, a target is applied, as well as supply channels and the removal of the cooling medium, while the channels for supply and return are located perpendicular to the axis of the anode on either side of it, one above the other and communicate with each other along the axis of the anode, in addition, a part of the outer wall of the channel is made of a material transparent to X-ray radiation, (CA 2464712 , publ. 07.08.2003, H01J 35/08, H01J 35/12).
Решение предназначено, в первую очередь, для целей медицинской диагностики костей.The solution is intended primarily for medical bone diagnostics purposes.
В известном решении мишень, нанесенная на подложку, выполнена из нескольких тонких пленок разного материала, при этом пленки расположены на подложке рядом друг с другом. Каждый материал продуцирует линейчатое рентгеновское излучение различной длины волны.In the known solution, the target applied to the substrate is made of several thin films of different materials, the films being located on the substrate next to each other. Each material produces line X-rays of various wavelengths.
Однако выполнение мишени таким образом не позволяет достичь интенсивности генерируемого рентгеновского излучения, необходимой для стерилизации продуктов питания, так как тепловая мощность, выделяемая в фокальном пятне на одной из мишеней, ограничена вследствие того, что пассивный теплоотвод на анод ограничен высоким термическим сопротивлением данной конструкции подложки, в том числе ввиду наличия нескольких мишеней, и основной отвод тепла осуществляется системой активного жидкостного охлаждения, не обладающей достаточной мощностью теплоотвода.However, making the target in this way does not allow achieving the intensity of the generated X-ray radiation necessary for sterilizing food, since the thermal power released in the focal spot on one of the targets is limited due to the fact that the passive heat removal to the anode is limited by the high thermal resistance of this substrate design. including due to the presence of several targets, and the main heat removal is carried out by an active liquid cooling system, which does not have sufficient heat removal capacity.
В системе охлаждения канал подвода расположен ближе к подложке и содержит разбрызгивающие охлаждающую жидкость сопла.In the cooling system, the supply channel is located closer to the substrate and contains nozzles that spray coolant.
Охлаждение подложки осуществляется следующим образом. Через каналы подвода подают воду, при этом, проходя через распыляющие сопла по периметру подложки, вода попадает на подложку в виде спрея под небольшим углом скольжения к ее поверхности. После контакта с горячей подложкой часть воды испаряется и отводится от подложки в виде пароводяной смеси. При этом пароводяная смесь выходит по оси по направлению пучка электронов и рентгеновского излучения через сообщение каналов подвода и отвода, то есть рентгеновское излучение проходит через спутный поток пароводяной смеси.Cooling of the substrate is carried out as follows. Water is supplied through the supply channels, while passing through the spray nozzles along the perimeter of the substrate, water enters the substrate in the form of a spray at a small sliding angle to its surface. After contact with the hot substrate, part of the water evaporates and is removed from the substrate in the form of a steam-water mixture. In this case, the steam-water mixture exits axially in the direction of the electron beam and X-ray radiation through the communication of the supply and outlet channels, that is, the X-ray radiation passes through the cocurrent flow of the steam-water mixture.
Недостатками такого решения являются невозможность обеспечить требуемую удельную мощность поглощенной дозы в обрабатываемом объекте, а именно:The disadvantages of this solution are the impossibility of providing the required specific absorbed dose rate in the processed object, namely:
недостаточно высокая удельная мощность пассивного теплоотвода от мишени на подложку, так как термическое сопротивление перехода мишень - подложка в случае протяженной мишени, ширина которой превышает в несколько раз толщину подложки, является достаточно высоким и удельная тепловая мощность, выделяемая в фокальном пятне, ограничена температурой плавления материала анода;insufficiently high specific power of passive heat removal from the target to the substrate, since the thermal resistance of the target - substrate transition in the case of an extended target, the width of which is several times the thickness of the substrate, is sufficiently high and the specific thermal power released in the focal spot is limited by the melting temperature of the material anode;
недостаточно высокая удельная мощность теплоотвода охлаждающей жидкостью, так как мощность отводимого тепла ограничена явлением кризиса теплообмена при образовании паровой прослойки между поверхностью подложки и каплями охлаждающей жидкости, выполненная таким образом мишень не способна отводить тепловую мощность больше 10 кВт при диаметре анодного блока менее 200 мм, следствием чего является невозможность достижения высокой интенсивности РИ на обрабатываемом объекте;insufficiently high specific power of heat removal by the cooling liquid, since the power of the removed heat is limited by the phenomenon of a crisis of heat transfer during the formation of a vapor layer between the surface of the substrate and drops of the cooling liquid, a target made in this way is not able to remove heat power of more than 10 kW with an anode block diameter of less than 200 mm, as a consequence which is the impossibility of achieving a high intensity of CM at the object being processed;
невозможность использования выходного окна или дополнительного фильтра между выходным каналом и выходным окном с целью поглощения низкоэнергетической части спектра РИ, поскольку эффективности выходящей нагретой пароводяной смеси недостаточно для отвода значительной удельной тепловой мощности (сотни Вт/кв.см) от выходного окна и или фильтра. Следствием отсутствия фильтра является наличие значительной доли фотонов низкоэнергетической части спектра в выходящем РИ, что приводит к повышенному поглощению энергии РИ в поверхностных слоях обрабатываемого объекта, что, в свою очередь, не позволяет обеспечить необходимую однородность поглощенной дозы.the impossibility of using the output window or an additional filter between the output channel and the output window in order to absorb the low-energy part of the CMB spectrum, since the efficiency of the outgoing heated steam-water mixture is insufficient to remove a significant specific thermal power (hundreds of W / cm 2) from the output window and or filter. A consequence of the absence of a filter is the presence of a significant fraction of photons of the low-energy part of the spectrum in the outgoing CMB, which leads to an increased absorption of CMB energy in the surface layers of the processed object, which, in turn, does not allow ensuring the necessary uniformity of the absorbed dose.
Технической задачей настоящего изобретения является создание интенсивного поля на мишени, необходимого для стерилизации продуктов, которое возможно достичь только при решении в совокупности трех задач: повышеним эффективности преобразования энергии электронного пучка в выходящее РИ, повышением удельной мощности системы отвода тепла, выделяющегося при торможении электронов в мишени, с одновременным формированием спектра РИ, обеспечивающего равномерность поглощенной в объекте дозы в соответствии с применимыми нормативами.The technical objective of the present invention is to create an intense field on the target, which is necessary for sterilizing products, which can only be achieved by solving a combination of three problems: increasing the efficiency of conversion of the energy of the electron beam into the outgoing X-ray, increasing the specific power of the system for removing heat released during deceleration of electrons in the target , with the simultaneous formation of the RI spectrum, which ensures the uniformity of the dose absorbed in the object in accordance with the applicable standards.
Достигаемым при использовании предлагаемого изобретения техническим результатом является снижение потерь РИ в элементах конструкции трубки, повышение интенсивности теплоотвода, поглощение низкоэнергетической части спектра РИ для обеспечения равномерности поглощенной в объекте дозы.The technical result achieved when using the proposed invention is a decrease in the loss of RI in the elements of the tube structure, an increase in the intensity of heat removal, absorption of the low-energy part of the RR spectrum to ensure uniformity of the dose absorbed in the object.
Технический результат достигается тем, что рентгеновская трубка, содержащая корпус, полость которого образует вакуумную камеру, расположенные в вакуумной камере катод, фокусирующий электрод и анодный блок, выполненный из корпуса, подложки, на внутренней стороне которой, обращенной к катоду, нанесена мишень, а также каналы подвода и отвода охлаждающей жидкости, расположенные с другой, внешней, стороны подложки, при этом каналы подвода и отвода расположены перпендикулярноThe technical result is achieved by the fact that an X-ray tube containing a housing, the cavity of which forms a vacuum chamber, located in the vacuum chamber, a cathode, a focusing electrode and an anode block made of a housing, a substrate, on the inner side of which, facing the cathode, a target is applied, and coolant inlet and outlet channels located on the other, external side of the substrate, while the inlet and outlet channels are perpendicular
- 2 038599 к оси анодного блока по обе стороны от него один над другим и сообщаются между собой через отверстие, ближняя к оси мишени точка границы которого отстоит от этой оси не более чем на ширину внешней части подложки, при этом ортогональная проекция границ отверстия на плоскость внешней части подложки пересекает хотя бы часть внешней части подложки, кроме того часть стенки каналов подвода выполнена из материала, прозрачного для рентгеновского излучения, мишень выполнена в виде тонкопленочной ленты, при этом длина мишени и подложки более чем в 2 раза превышает их ширину, а канал отвода расположен ближе к внешней стороне подложки, чем канал подвода.- 2 038599 to the axis of the anode block on either side of it, one above the other and communicate with each other through a hole, the point of the boundary closest to the axis of the target, the point of the boundary of which is not more than the width of the outer part of the substrate from this axis, while the orthogonal projection of the boundaries of the hole onto the plane the outer part of the substrate intersects at least a part of the outer part of the substrate, in addition, part of the wall of the supply channels is made of a material transparent for X-ray radiation, the target is made in the form of a thin-film tape, while the length of the target and the substrate is more than 2 times their width, and the channel the outlet is located closer to the outside of the substrate than the inlet channel.
Кроме того, толщина мишени составляет от 0,5 до 2 пробегов электронов.In addition, the target thickness ranges from 0.5 to 2 electron runs.
Кроме того, подложка выполнена в виде бруса из рентгенопрозрачного материала с поперечным сечением в форме трапеции, при этом ширина внутренней части подложки меньше ширины ее внешней части.In addition, the substrate is made in the form of a bar made of an X-ray transparent material with a trapezoidal cross-section, while the width of the inner part of the substrate is less than the width of its outer part.
Кроме того, расстояние от внешней поверхности подложки до внешней стенки канала подвода охлаждающей жидкости не более 20 мм.In addition, the distance from the outer surface of the substrate to the outer wall of the coolant supply channel is no more than 20 mm.
Кроме того, ширина внутренней части подложки, обращенной к катоду, превышает ширину мишени не более чем на 2 толщины подложки.In addition, the width of the inner part of the substrate facing the cathode exceeds the width of the target by no more than 2 times the thickness of the substrate.
Кроме того, ширина отверстия, через которое осуществляется сообщение каналов охлаждения, составляет не более 2 ширин внешней части подложки, при этом соединение каналов может быть выполнено в виде набора отверстий разной формы, а размер таких отверстий в направлении, перпендикулярном оси мишени, не более 2 ширин внешней части подложки.In addition, the width of the hole through which the cooling channels communicate is no more than 2 widths of the outer part of the substrate, while the connection of the channels can be made in the form of a set of holes of different shapes, and the size of such holes in the direction perpendicular to the target axis is no more than 2 the width of the outer part of the backing.
Кроме того, длина отверстия более 0,5 длины мишени.In addition, the hole length is more than 0.5 of the target length.
Кроме того, каналы отвода выполнены ячеистыми различной формы.In addition, the outlet channels are made of honeycomb of various shapes.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена рентгеновская трубка (продольный разрез), на фиг. 2 изображена рентгеновская трубка (поперечный разрез, сечение А-А), на фиг. 3 изображена рентгеновская трубка (продольный разрез).The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows an X-ray tube (longitudinal section), FIG. 2 shows an X-ray tube (cross section, section A-A), FIG. 3 shows an X-ray tube (longitudinal section).
Рентгеновская трубка содержит электроизоляционный корпус 1, полость которого является вакуумной камерой 2. Внутри вакуумной камеры 2 расположены катод 3 - источник свободных электронов 4, фокусирующий электрод 5 и анодный блок, состоящий из корпуса 6, подложки 7, на одну сторону которого, обращенную к катоду 3 (внутреннюю), нанесена мишень 8.The X-ray tube contains an electrical insulating body 1, the cavity of which is a vacuum chamber 2. Inside the vacuum chamber 2 there are cathode 3 - a source of free electrons 4, a focusing electrode 5 and an anode block consisting of a body 6, a substrate 7, on one side of which, facing the cathode 3 (inner), target 8 is applied.
Мишень 8 выполнена в виде ленты из материала с атомным номером Z более 40. Длина мишени 8 более чем в 2 раза превышает ее ширину, а толщина мишени 8 составляет от 0,5 до 2 пробегов электронов. Конструкция мишени 8 в виде ленты обеспечивает малое термическое сопротивление на участке мишень - подложка - анодный блок - канал охлаждения, что подтверждается результатами экспериментальных исследований. Толщина мишени 8 в указанных диапазонах обеспечивает максимальный выход РИ из мишени на единицу энергии электронов в пучке, ввиду того, что по результатам расчетов при толщине мишени менее 0,5 пробегов электронов значительная часть энергии электронов не используется для генерации РИ, а при толщине мишени большей 2 пробегов электронов значительная часть РИ поглощается в самой мишени, при этом оба перечисленных процесса снижают эффективность преобразования энергии электронов в РИ. Ширина внутренней части подложки 7, обращенной к пучку электронов 4, превышает ширину мишени 8 не более чем на 2 толщины подложки с целью уменьшения термического сопротивления на участке мишень - подложка - анодный блок - канал охлаждения. Расчеты показывают, что при значении ширины внутренней части подложки более указанного размера теплоотвод будет осуществляться в основном за счет охлаждения подложки жидкостью, при этом общая интенсивность отводимого тепла снижается.Target 8 is made in the form of a tape made of material with an atomic number Z of more than 40. The length of target 8 is more than 2 times its width, and the thickness of target 8 is from 0.5 to 2 electron runs. The design of the target 8 in the form of a ribbon provides a low thermal resistance in the section target - substrate - anode block - cooling channel, which is confirmed by the results of experimental studies. The thickness of target 8 in the indicated ranges ensures the maximum yield of X-ray radiation from the target per unit of electron energy in the beam, since, according to the results of calculations, with a target thickness of less than 0.5 electron runs, a significant part of the electron energy is not used to generate X-ray radiation, and with a target thickness greater than 2 runs of electrons, a significant part of the CMB is absorbed in the target itself, while both of these processes reduce the efficiency of conversion of electron energy into CMB. The width of the inner part of the substrate 7, facing the electron beam 4, exceeds the width of the target 8 by no more than 2 times the thickness of the substrate in order to reduce the thermal resistance in the section target - substrate - anode block - cooling channel. Calculations show that when the width of the inner part of the substrate exceeds the specified size, the heat removal will be carried out mainly due to the cooling of the substrate with a liquid, while the total intensity of the removed heat decreases.
Для повышения выхода РИ из анодного блока подложка 7 может быть выполнена в виде бруса из рентгенопрозрачного материала с поперечным сечением в форме трапеции, при этом угловой размер выходного окна 6, определяемый как угол между осью мишени и боковой стенкой корпуса анодного блока 6, обращенной к выходящему РИ, может составлять не менее 10°. Длина подложки 7 более чем в 2 раза превышает ее ширину, что по результатам экспериментов обеспечивает высокоинтенсивный теплоотвод от мишени 8.To increase the output of RI from the anode block, the substrate 7 can be made in the form of a bar made of an X-ray transparent material with a trapezoidal cross-section, while the angular size of the exit window 6 is defined as the angle between the target axis and the side wall of the anode block body 6 facing the outgoing RI can be at least 10 °. The length of the substrate 7 is more than 2 times its width, which, according to the experimental results, provides a high-intensity heat removal from the target 8.
Рентгеновская трубка также содержит сообщающиеся между собой каналы подвода 9 и отвода 10 охлаждающей жидкости для охлаждения подложки 7. Каналы подвода 9 и отвода 10 расположены по обе стороны от оси мишени друг над другом, при этом ближе к внешней поверхности подложки 7 расположены каналы отвода 10. Сообщение каналов 9 и 10 между собой осуществляется, например, через отверстие 11, ближняя к оси мишени 8 точка границы которого отстоит от этой оси не более чем на ширину внешней части подложки 7, при этом ортогональная проекция границ отверстия 11 на плоскость внешней части подложки 7 пересекает хотя бы часть внешней части подложки 7. При этом при работе устройства охлаждающая жидкость двигается навстречу рентгеновскому излучению, которое через выходное окно 13, изготовленное из рентгенопрозрачного материала, выбираемого из группы элементов С, Be, Al, Ti с антикоррозионными покрытиями, выполненное из внешней части канала подвода 9. Указанное расположение отверстия обеспечивает формирование струи охлаждающей жидкости на наиболее горячую центральную часть подложки 7, создавая условия для интенсивного отвода тепла от нее. При этом расстояние от внешней поверхности подложки до выходного окна, а при работе устройства - суммарная толщи- 3 038599 на слоя охлаждающей жидкости, составляет не более 20 мм для обеспечения ее рентгенопрозрачности для части спектра РИ, создающего равномерную поглощенную дозу в стерилизуемом продукте в заданных применимыми стандартами пределах.The X-ray tube also contains interconnected channels for supplying 9 and removing 10 coolant for cooling the substrate 7. The supply channels 9 and 10 are located on both sides of the target axis one above the other, with the outlet channels 10 located closer to the outer surface of the substrate 7. The communication of channels 9 and 10 with each other is carried out, for example, through hole 11, the boundary point closest to the axis of the target 8 is located from this axis by no more than the width of the outer part of the substrate 7, while the orthogonal projection of the boundaries of the hole 11 onto the plane of the outer part of the substrate 7 crosses at least a part of the outer part of the substrate 7. In this case, during the operation of the device, the coolant moves towards the X-ray radiation, which through the exit window 13, made of an X-ray transparent material selected from the group of elements C, Be, Al, Ti with anti-corrosion coatings, made of an external part of the inlet channel 9. The specified location of the hole ensures the formation the injection of a jet of coolant onto the hottest central part of the substrate 7, creating conditions for intensive heat removal from it. In this case, the distance from the outer surface of the substrate to the exit window, and during operation of the device, the total thickness of 3 038599 per layer of coolant, is no more than 20 mm to ensure its X-ray transparency for a part of the RI spectrum, which creates a uniform absorbed dose in the sterilized product in the specified applicable standards limits.
Указанное конструктивное расположение каналов подвода 9 и отвода 10 означает, что при работе устройства поток охлаждающей жидкости будет направлен через отверстие 11 к внешней стороне подложки 7, например, по оси мишени 8 так, что выходящее РИ будет проходить через встречный поток жидкости. Таким путем создают турбулентность потока охлаждающей жидкости для улучшения активного охлаждения подложки 7. При этом для повышения активности турбулентности отверстие 11 может быть выполнено в виде набора отверстий разной формы, формирующих поток охлаждающей жидкости преимущественно на центральную часть подложки 7. Размер таких отверстий в направлении, перпендикулярном оси мишени, для избежания образования застойных зон составляет не более 2 ширин внешней части подложки. На внешнюю поверхность подложки 7 может быть нанесен рельеф для увеличения теплообмена между подложкой 7 и охлаждающей жидкостью.The indicated constructive arrangement of the inlet 9 and outlet 10 channels means that during the operation of the device, the flow of coolant will be directed through the hole 11 to the outer side of the substrate 7, for example, along the axis of the target 8 so that the outgoing RI will pass through the counter flow of the liquid. In this way, the turbulence of the flow of the cooling liquid is created to improve the active cooling of the substrate 7. In this case, to increase the activity of the turbulence, the opening 11 can be made in the form of a set of holes of various shapes, which form the flow of the cooling liquid mainly on the central part of the substrate 7. The size of such holes in the direction perpendicular axis of the target, to avoid the formation of stagnant zones is no more than 2 widths of the outer part of the substrate. The outer surface of the substrate 7 may be embossed to enhance heat transfer between the substrate 7 and the coolant.
Кроме того, в случае использования воды в качестве охлаждающей жидкости низкоэнергетическая часть спектра РИ, проходящая через встречный поток воды, будет поглощаться в воде. За счет чего будет достигнута равномерность поглощенной дозы в стерилизуемом продукте в пределах применимых стандартов.In addition, in the case of using water as a coolant, the low-energy part of the CMB spectrum passing through the counter flow of water will be absorbed in the water. Due to this, the uniformity of the absorbed dose in the sterilized product will be achieved within the applicable standards.
Рентгеновская трубка работает следующим образом.The X-ray tube works as follows.
На катод 3 подается напряжение, катод 3 испускает электроны 4, которые под действием ускоряющего и фокусирующего напряжения формируются в плоский пучок, создавая фокусное пятно вдоль лентообразной мишени 8.A voltage is applied to the cathode 3, the cathode 3 emits electrons 4, which, under the action of the accelerating and focusing voltage, are formed into a flat beam, creating a focal spot along the tape-like target 8.
Взаимодействуя с мишенью 8, электроны 4 генерируют тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. При этом рабочее напряжение на трубке выбирается таким образом, что тормозное РИ генерируется преимущественно вперед по направлению пучка электронов 4.Interacting with target 8, electrons 4 generate bremsstrahlung and characteristic X-rays. In this case, the operating voltage across the tube is selected in such a way that the bremsstrahlung radiation is generated mainly forward in the direction of the electron beam 4.
В мишени 8 выделяется в виде тепла до 99% энергии пучка электронов 4, поэтому в конструкции анодного блока применено специальное техническое решение - выполнение мишени 8 в виде ленты как линейного источника тепла, что дает возможность за счет малого термического сопротивления перехода мишень - подложка достичь рекордных значений теплоотвода до 300 Вт/кв.мм.In target 8, up to 99% of the energy of the electron beam 4 is released in the form of heat; therefore, a special technical solution was used in the design of the anode block - the implementation of target 8 in the form of a ribbon as a linear heat source, which makes it possible, due to the low thermal resistance of the target - substrate transition, to achieve record heat dissipation values up to 300 W / sq.mm.
При этом мишень 8 выполнена толщиной от 0,5 до 2 пробегов электронов 4, что увеличивает выход РИ за счет баланса генерации и поглощения РИ в мишени такой толщины 8.In this case, the target 8 is made with a thickness of 0.5 to 2 runs of electrons 4, which increases the X-ray yield due to the balance between the generation and absorption of the X-ray in a target of this thickness 8.
Выполнение подложки 7 в виде трапеции с одной стороны повышает выход РИ, выходящего под углом к оси пучка электронов 4, а с другой стороны снижает термическое сопротивление на участке подложка 7 - корпус анодного блока 6, повышая интенсивность теплосъема с мишени 8.Making the substrate 7 in the form of a trapezoid, on the one hand, increases the output of the X-ray radiation coming out at an angle to the axis of the electron beam 4, and, on the other hand, reduces the thermal resistance in the section between the substrate 7 and the body of the anode block 6, increasing the intensity of heat removal from the target 8.
При этом для достижения увеличения выхода РИ под углом к оси пучка электронов 4 угловой размер выходного окна θ, определяемый как угол между осью мишени и обращенной к ней боковой стенкой 16 отводящего канала 10, составляет не менее 10° с целью снижения поглощения в анодном блоке РИ, выходящего под углом к оси мишени, а ширина внешней части подложки 7 больше ширины мишени 8 более чем в 2 раза. Тормозное рентгеновское излучение при рабочих напряжениях на трубке выходит преимущественно вниз в пределах угла θ, поскольку при углах, превышающих θ, излучение поглощается в стенках корпуса анодного блока, формирующего отводящие каналы. В практической реализации угол θ определяется диаграммой направленности тормозного излучения и может достигать 70-80°. При этом в пределах угла θ рентгеновское излучение выходит через отверстие 11 и рентгенопрозрачные элементы трубки 12 и 13.In this case, to achieve an increase in the X-ray output at an angle to the electron beam axis 4, the angular size of the exit window θ, determined as the angle between the target axis and the side wall 16 of the exhaust channel 10 facing it, is at least 10 ° in order to reduce absorption in the X-ray anode block emerging at an angle to the target axis, and the width of the outer part of the substrate 7 is more than 2 times the width of the target 8. Bremsstrahlung X-ray radiation at operating voltages on the tube comes out mainly downward within the angle θ, since at angles exceeding θ, the radiation is absorbed in the walls of the anode block housing, which forms the exhaust channels. In practical implementation, the angle θ is determined by the bremsstrahlung radiation pattern and can reach 70-80 °. In this case, within the angle θ, the X-ray radiation comes out through the hole 11 and the X-ray transparent elements of the tube 12 and 13.
Высокая мощность пучка электронов, необходимая для генерации интенсивного рентгеновского излучения, приводит к сильному нагреву мишени 8, тепло от которой отводится через подложку 7 как пассивно на корпус 6 анодного блока, так и активно с помощью охлаждающей жидкости. Корпус 6 анодного блока в свою очередь охлаждается жидкостью через стенки 16 выходного канала 10. В связи с чем необходимо осуществить высокоинтенсивное жидкостное охлаждение подложки и анодного блока.The high power of the electron beam required for the generation of intense X-ray radiation leads to strong heating of the target 8, the heat from which is removed through the substrate 7 both passively to the body 6 of the anode block and actively using a cooling liquid. The body 6 of the anode block, in turn, is cooled by liquid through the walls 16 of the outlet channel 10. In this connection, it is necessary to carry out a high-intensity liquid cooling of the substrate and the anode block.
Охлаждающая жидкость подводится с торцов канала подвода 9, например, через штуцеры 14, а отводится через штуцеры 15. На участке сообщения каналов подвода 9 и отвода 10 охлаждающая жидкость проходит через отверстие 11 и поднимается вверх к подложке 7. Ввиду того, что отверстие 11 расположено так, что ближняя к оси мишени точка границы отверстия 11 отстоит от этой оси не более чем на ширину половины внешней части подложки 7, поток охлаждающей жидкости направлен преимущественно к центральной, наиболее нагретой части подложки 7, а выходящее тормозное излучение проходит через встречный поток жидкости.The coolant is supplied from the ends of the inlet channel 9, for example, through the fittings 14, and is discharged through the fittings 15. In the section of communication of the inlet channels 9 and the outlet 10, the coolant passes through hole 11 and rises up to the substrate 7. Due to the fact that hole 11 is located so that the point of the hole 11 boundary closest to the target axis is spaced from this axis by no more than half the width of the outer part of the substrate 7, the coolant flow is directed mainly to the central, most heated part of the substrate 7, and the outgoing bremsstrahlung passes through the counter flow of the liquid.
В случае использования для охлаждения воды охлаждающая жидкость выполняет роль фильтра низкоэнергетической части спектра РИ, поглощая фотоны с энергией менее 20-30 кэВ, способствуя тем самым условию создания равномерной поглощенной дозы в обрабатываемом объекте.When used for cooling water, the coolant acts as a filter for the low-energy part of the CMB spectrum, absorbing photons with an energy of less than 20-30 keV, thereby contributing to the condition for creating a uniform absorbed dose in the object being treated.
Далее охлаждающая жидкость отводит тепло от подложки 7 струей, сформированной отверстием 11, охлаждая ее за счет интенсивного турбулентного движения, а затем удаляется в каналы отвода 10 для охлаждения корпуса 6 анодного блока. При этом удаляется, в том числе и тепло, переданное от мишени 8Further, the coolant removes heat from the substrate 7 by a jet formed by the hole 11, cooling it due to the intense turbulent movement, and then is removed into the outlet channels 10 to cool the body 6 of the anode block. This removes, including the heat transferred from the target 8
- 4 038599 к подложке 7 за счет пассивной теплопередачи на корпус 6 анодного блока, а также тепло, выделившееся при поглощении низкоэнергетической части спектра РИ в самой охлаждающей жидкости и выходном окне 13.- 4 038599 to the substrate 7 due to passive heat transfer to the body 6 of the anode block, as well as the heat released during absorption of the low-energy part of the X-ray spectrum in the coolant itself and in the exit window 13.
Охлаждающая жидкость после контакта с подложкой 7 отводится в сторону по каналам отвода 10, которые могут быть выполнены ячеистыми с целью повышения площади контакта с жидкостью для повышения теплосъема.The coolant, after contact with the substrate 7, is diverted to the side through the outlet channels 10, which can be made of cellular in order to increase the area of contact with the liquid to increase heat removal.
Организованное указанным образом перемещение охлаждающей жидкости позволяет максимально отводить тепло от анодного блока, включая мишень 8 и подложку 7, так как самый холодный поток контактирует с наиболее нагретой частью подложки 7, обеспечивая наиболее интенсивный теплообмен в этой области. Т.е. максимальный теплоотвод осуществляется от максимально нагретой части подложки 7.Organized in this way, the movement of the coolant allows maximum heat removal from the anode block, including target 8 and substrate 7, since the coldest flow contacts the most heated part of the substrate 7, providing the most intense heat transfer in this area. Those. the maximum heat dissipation is carried out from the maximum heated part of the substrate 7.
В результате система охлаждения обеспечивает высокую интенсивность теплоотвода за счет конструкции мишени 8 в виде ленты, а также применения комбинированной системы теплоотвода, реализующей как пассивный теплоотвод от мишени 8 через подложку 7 - корпус 6 анодного блока - стенку канала охлаждения 16, так и прямое активное охлаждение подложки 7 потоком охлаждающей жидкости, идущим навстречу пучку РИ, а также обеспечивающей отвод тепла, выделяющегося от поглощения низкоэнергетической части спектра выходящего РИ.As a result, the cooling system provides a high intensity of heat removal due to the design of target 8 in the form of a tape, as well as the use of a combined heat removal system, which implements both passive heat removal from target 8 through the substrate 7 - housing 6 of the anode block - the wall of the cooling channel 16, and direct active cooling substrate 7 by the flow of a cooling liquid directed towards the X-ray beam, as well as providing heat removal from the absorption of the low-energy part of the outgoing X-ray spectrum.
В результате применения описанных выше мер рентгеновская трубка при электрической мощности 25 кВт и внешнем диаметре до 200 мм может обеспечить удельную мощность дозы в обрабатываемом объекте более 50 Гр/с, что создает предпосылки для ее практического использования в системах стерилизации продукции для получения рекомендованных МАГАТЭ доз 4-6 кГр непосредственно на производственных линиях.As a result of the application of the measures described above, an X-ray tube with an electric power of 25 kW and an outer diameter of up to 200 mm can provide a specific dose rate in the processed object of more than 50 Gy / s, which creates the prerequisites for its practical use in product sterilization systems to obtain doses recommended by the IAEA 4 -6 kGy directly on production lines.
Claims (12)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA202000267A EA038599B1 (en) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | X-ray tube for radiation treatment of objects |
| PCT/EA2021/000002 WO2022022794A1 (en) | 2020-07-31 | 2021-04-21 | X-ray tube for treating objects with radiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EA202000267A EA038599B1 (en) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | X-ray tube for radiation treatment of objects |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA202000267A1 EA202000267A1 (en) | 2021-09-20 |
| EA038599B1 true EA038599B1 (en) | 2021-09-21 |
Family
ID=77912668
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA202000267A EA038599B1 (en) | 2020-07-31 | 2020-07-31 | X-ray tube for radiation treatment of objects |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA038599B1 (en) |
| WO (1) | WO2022022794A1 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999050882A1 (en) * | 1998-03-27 | 1999-10-07 | Thermal Corp. | Multiple wavelength x-ray tube |
| WO2002045122A2 (en) * | 2000-12-01 | 2002-06-06 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Cold-plate window in a metal-frame x-ray insert |
| CA2464712A1 (en) * | 2002-01-31 | 2003-08-07 | The Johns Hopkins University | X-ray source and method for producing selectable x-ray wavelength |
| RU2237944C2 (en) * | 2002-08-05 | 2004-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Институт рентгеновской оптики" | X-ray tube |
| US20090060139A1 (en) * | 2007-08-28 | 2009-03-05 | Subraya Madhusudhana T | Tungsten coated x-ray tube frame and anode assembly |
| WO2014059139A1 (en) * | 2012-10-12 | 2014-04-17 | Varian Medical Systems, Inc. | Finned anode |
| RU2678326C1 (en) * | 2018-03-21 | 2019-01-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Реф-Свет" | Ultra-compact x-ray emitter |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6463123B1 (en) * | 2000-11-09 | 2002-10-08 | Steris Inc. | Target for production of x-rays |
| CN203573943U (en) * | 2013-12-03 | 2014-04-30 | 朱健 | Industrial X-ray tube with cooling device |
| JP7117452B2 (en) * | 2018-07-26 | 2022-08-12 | シグレイ、インコーポレイテッド | High brightness reflection type X-ray source |
-
2020
- 2020-07-31 EA EA202000267A patent/EA038599B1/en unknown
-
2021
- 2021-04-21 WO PCT/EA2021/000002 patent/WO2022022794A1/en active Application Filing
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999050882A1 (en) * | 1998-03-27 | 1999-10-07 | Thermal Corp. | Multiple wavelength x-ray tube |
| WO2002045122A2 (en) * | 2000-12-01 | 2002-06-06 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Cold-plate window in a metal-frame x-ray insert |
| CA2464712A1 (en) * | 2002-01-31 | 2003-08-07 | The Johns Hopkins University | X-ray source and method for producing selectable x-ray wavelength |
| RU2237944C2 (en) * | 2002-08-05 | 2004-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Институт рентгеновской оптики" | X-ray tube |
| US20090060139A1 (en) * | 2007-08-28 | 2009-03-05 | Subraya Madhusudhana T | Tungsten coated x-ray tube frame and anode assembly |
| WO2014059139A1 (en) * | 2012-10-12 | 2014-04-17 | Varian Medical Systems, Inc. | Finned anode |
| RU2678326C1 (en) * | 2018-03-21 | 2019-01-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Реф-Свет" | Ultra-compact x-ray emitter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA202000267A1 (en) | 2021-09-20 |
| WO2022022794A1 (en) | 2022-02-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112424877B (en) | Radiant anode target systems and methods | |
| US6463123B1 (en) | Target for production of x-rays | |
| JP7453312B2 (en) | X-ray source that forms a three-dimensional beam | |
| EP3472850B1 (en) | X-ray micro-beam production and high brilliance x-ray production | |
| JP2010048823A (en) | Particle beam processing device | |
| RU2278483C2 (en) | Extreme ultraviolet source with rotary electrodes and method for producing extreme ultraviolet radiation from gas-discharge plasma | |
| CN110383954B (en) | Cooling device for X-ray generator | |
| US6438208B1 (en) | Large surface area x-ray tube window and window cooling plenum | |
| RU2739232C1 (en) | X-ray tube for radiation treatment of objects | |
| CN207856090U (en) | Neutron capture treatment system and target for particle beam generating apparatus | |
| EA038599B1 (en) | X-ray tube for radiation treatment of objects | |
| US20140126702A1 (en) | X-ray emitter | |
| CN218482993U (en) | Neutron capture therapy system and target for particle beam generating device | |
| US3892970A (en) | Relativistic electron beam device | |
| US5783900A (en) | Large-area electron irradiator with improved electron injection | |
| CN212214394U (en) | Miniaturized flash radiotherapy device | |
| EP2532018B1 (en) | X-ray tube | |
| CN110585611A (en) | Proton treatment equipment | |
| JP3817634B2 (en) | Target for generating light of very short wavelength, method for manufacturing the target, light generation method using the target, and apparatus therefor | |
| CN212810234U (en) | Grid type X-ray conversion target | |
| CN211016567U (en) | Water cooling structure of vacuum irradiation box | |
| Reija et al. | Radiobiology experiments with a laser driven x-ray source: Exploring the UHDR regime | |
| CN110681073A (en) | Beam blocking device of proton accelerator | |
| CN110828267A (en) | Super-evaporation cooling anode | |
| Hora et al. | GH Miley1, AG Lipson1, 2, W. Helgeston4, H. |