ITVR20100016A1 - Tubo radiogeno - Google Patents

Description

TUBO RADIOGENO

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un tubo radiogeno per la produzione di raggi X, ed in particolare un tubo radiogeno in grado di generare raggi X di intensità relativamente elevata. La presente invenzione nasce in particolare in relazione alla produzione di tubi radiogeni da utilizzare in impianti per l'esame a raggi X di legname. Nel seguito verrà quindi fatto generalmente riferimento a tale settore. Resta comunque inteso che la presente invenzione può essere indifferentemente applicata in qualsiasi altro settore ed a qualsiasi altro scopo.

Sin dalla loro invenzione, più di un secolo fa, i tubi radiogeni sono generalmente costituiti da un contenitore sotto vuoto (generalmente un'ampolla di vetro), al cui interno sono posizionati un catodo (polo negativo) e un anodo (polo positivo) tra i quali, in uso, viene applicata una tensione continua relativamente elevata (anche dell'ordine di alcuni kV). L'anodo à ̈ disposto ad una certa distanza dal catodo ed à ̈ costituito da un disco di metallo pesante (quale tungsteno, molibdeno o rodio) in grado di emettere raggi X se colpito da elettroni che viaggiano con una certa energia cinetica come meglio spiegato nel seguito. Il disco à ̈ disposto obliquamente, nel senso che la sua faccia principale rivolta verso il catodo à ̈ inclinata rispetto al piano perpendicolare alla direzione che congiunge catodo e anodo.

A sua volta il catodo à ̈ generalmente costituito da una spirale riscaldata che emette elettroni per effetto termoionico. Una volta emessi, gli elettroni vengono accelerati dalla differenza di potenziale esistente tra anodo e catodo e vanno quindi a colpire il disco metallico. Al momento dell'impatto una piccola parte della loro energia cinetica si trasforma in radiazione X secondo un processo di per sé noto.

I raggi X così generati, di per sé si propagherebbero in tutte le direzioni. Tuttavia, la forma dell'anodo (disco piatto) fa sì che la maggior parte della radiazione X uscente da esso, si propaghi lungo una direzione sostanzialmente perpendicolare alle due facce del disco. In particolare, la maggior parte della radiazione si propaga uscendo dalla faccia del disco opposta a quella rivolta verso il catodo (radiazione forward), mentre una parte significativamente più piccola esce da quest'ultima (radiazione backward).

Peraltro, dato che, durante il funzionamento, l'anodo à ̈ sottoposto ad un riscaldamento notevole, nelle applicazioni industriali à ̈ necessario provvedere al suo raffreddamento. Attualmente ciò à ̈ generalmente ottenuto applicando dei mezzi di raffreddamento alla faccia dell'anodo opposta a quella rivolta verso il catodo. I mezzi di raffreddamento sono costituiti da un elemento scatolare metallico (generalmente di acciaio) termicamente in contatto con l'anodo ed al cui interno scorre un liquido di raffreddamento, quale acqua. Per assicurare una corretta dissipazione del calore, tuttavia, le dimensioni e la struttura dei mezzi di raffreddamento sono tali per cui pressoché l'intera radiazione forward viene assorbita dall'elemento scatolare o dall'acqua di raffreddamento.

Di conseguenza, nei tubi radiogeni industriali noti, l'unica radiazione utilizzabile à ̈ la radiazione backward. Ed à ̈ per questo motivo che l'anodo viene disposto inclinato; solo così, infatti, à ̈ possibile indirizzare i raggi X verso l'esterno del tubo senza dissiparli nei mezzi di raffreddamento e senza investire il catodo.

Tuttavia, quando gli elettroni colpiscono l'anodo si generano radiazioni che coprono un ampio range di lunghezze d'onda diverse (l'effettivo range dipende sia dal tipo di metallo di cui à ̈ costituito l'anodo sia dalla tensione di funzionamento, vale a dire dalla velocità degli elettroni al momento dell'impatto).

A livello industriale, tuttavia, solo alcune delle lunghezze d'onda sono realmente utili. Ad esempio, per l'esame del legname le radiazioni di frequenza più bassa non solo non rivestono alcun interesse in quanto non sono in grado di attraversare il legno, ma addirittura devono essere evitate in quanto tali da mandare in saturazione il sensore di rilevamento in assenza di legno.

A tale scopo, i tubi radiogeni attualmente in commercio sono dotati di un filtro che intercetta la radiazione backward prima della sua fuoriuscita. Tale filtro à ̈ costituito da una lamina metallica (realizzata ad esempio in berillio o rame) dello spessore di pochi millimetri in grado di assorbire le lunghezze d'onda, dei raggi X emessi dal tubo, che non sono utili per l'applicazione prevista.

Quanto sin qui descritto rappresenta gli aspetti comuni a tutte le forme realizzative attualmente note. Va comunque tenuto presente che i tubi radiogeni attualmente presenti sul mercato possono anche presentare sia mezzi di confinamento e concentrazione del flusso elettronico, sia mezzi di confinamento delle radiazioni X. Sono inoltre noti anche tubi ad anodo rotante che hanno lo scopo di variare in modo continuo il punto di impatto degli elettroni sull'anodo stesso. In ogni caso la presente invenzione può essere applicata, con gli opportuni adattamenti a qualsiasi tubo radiogeno. Alla luce di quanto sopra esposto appare chiaro che il problema principale dei tubi radiogeni attualmente noti à ̈ quello di avere un rendimento scarso. Solo una piccola parte della radiazione X prodotta à ̈ infatti disponibile per gli usi previsti.

Di conseguenza, in settori in cui à ̈ necessario disporre di potenze elevate (quale quello dell'esame radiografico dei tronchi), i normali tubi radiogeni commerciali risultano inadatti ed à ̈ necessario ricorrere a tubi speciali di altissima potenza e di altrettanto elevato costo.

In questo contesto il compito tecnico alla base della presente invenzione à ̈ realizzare un tubo radiogeno che ponga rimedio agli inconvenienti citati. È in particolare compito tecnico della presente invenzione realizzare un tubo radiogeno che a parità di parametri operativi sia in grado di erogare raggi X di intensità notevolmente superiore rispetto ai tubi radiogeni tradizionali.

É ancora compito tecnico della presente invenzione mettere a punto un tubo radiogeno che presenti, a parità di prestazioni, un costo più limitato rispetto ai tubi tradizionali.

Il compito tecnico e gli scopi indicati sono sostanzialmente raggiunti da un tubo radiogeno realizzato in accordo con quanto descritto nelle unite rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente evidenti dalla descrizione dettagliata di alcune forme di esecuzione preferite, ma non esclusive, di un tubo radiogeno illustrate negli uniti disegni, in cui:

- la figura 1 mostra in vista schematica un tubo radiogeno realizzato secondo la presente invenzione;

- la figura 2 mostra un particolare ingrandito del tubo di figura 1;

- la figura 3 mostra in vista schematica dall'alto un lamina parte di un elemento costitutivo del tubo radiogeno di figura 1;

- la figura 4 mostra in vista schematica dall'alto un ulteriore lamina;

- la figura 5 mostra in vista dall'alto le lamine delle figure 3 e 4 accoppiate; e

- la figura 6 mostra in vista frontale schematica le lamine di figura 5.

Con riferimento alle figure citate à ̈ stato globalmente indicato con il numero di riferimento 1 un tubo radiogeno secondo la presente invenzione.

Analogamente ai tubi radiogeni noti, anche quello oggetto della presente invenzione comprende innanzitutto un elemento di contenimento 2 vantaggiosamente costituito da un'ampolla di vetro o da un altro elemento analogo. L'elemento di contenimento 2 presenta inoltre una sezione di emissione 3, attraverso la quale i raggi X prodotti all'interno del tubo 1 possono essere inviati verso la zona di utilizzo (ad esempio per l'esame radiografico di un pezzo di legname).

Come si vede in figura 1, all'interno dell'elemento di contenimento 2 sono montati un catodo 4 ed un anodo 5 distanziati uno dall'altro.

Per quanto riguarda il catodo 4 esso può essere realizzato analogamente ai catodi noti. In figura 1, in particolare, esso à ̈ costituito da una serpentina riscaldata in grado di emettere elettroni E per effetto termoionico.

Per quanto riguarda invece l'anodo 5, analogamente a quelli noti anche nel caso della presente invenzione esso à ̈ realizzato in materiale in grado di emettere raggi X se colpito da elettroni E aventi una certa energia cinetica predeterminata. L'anodo 5 presenta poi una prima faccia 6 principale sostanzialmente rivolta verso il catodo 4 ed una seconda faccia 7 principale rivolta dal lato opposto rispetto alla prima faccia 6.

In accordo con la presente invenzione, non à ̈ necessario che la prima faccia 6 principale dell'anodo 5 sia inclinata rispetto al piano perpendicolare alla direzione che si estende dal catodo 4 verso l'anodo 5 stesso. Come meglio spiegato nel seguito, infatti, in accordo con la presente invenzione, la radiazione X utilizzata dal tubo 1 radiogeno non à ̈ la radiazione backward come nel caso dei tubi noti, bensì la radiazione forward, vale a dire la radiazione che, in uso, esce dalla seconda faccia 7 principale dell'anodo 5. Vantaggiosamente, poi, dei mezzi di raffreddamento 8 sono applicati alla seconda faccia 7 principale dell'anodo 5 per dissipare il calore generato durante la produzione dei raggi X. Preferibilmente, i mezzi di raffreddamento 8 sono costituiti da un elemento 9 conduttore di calore termicamente accoppiato alla seconda faccia 7 principale dell'anodo 5, ed al cui interno scorre, in uso, un fluido di raffreddamento quale acqua.

L'aspetto principale della presente invenzione à ̈ il fatto che i mezzi di raffreddamento 8 assolvono una duplice funzione; essi infatti costituiscono anche dei mezzi di filtro 10 in grado di filtrare, sulla base delle rispettive lunghezze d'onda, le radiazioni X emesse dall'anodo 5 (in figura 1 le radiazioni X sono rappresentate dalle frecce ondulate).

Grazie a tale innovativa soluzione realizzativa, in accordo con la presente invenzione la sezione di emissione 3 delle radiazioni X, attraverso la quale le radiazioni stesse fuoriescono dall'elemento di contenimento 2, Ã ̈ posizionata in modo tale da ricevere, in uso, le radiazioni X emesse dalla seconda faccia 7 principale dell'anodo 5, vale a dire le radiazioni forward, dopo che esse hanno attraversato i mezzi di filtro 10.

Nella forma realizzativa preferita ciò à ̈ ottenuto realizzando l'elemento 9 conduttore di calore con al proprio interno di una pluralità di microcanali 11 al cui interno, in uso, può scorrere con moto turbolento un liquido di raffreddamento in pressione. Nell'ambito della presente invenzione, con il termine microcanali 11 si intendono canali aventi venti almeno una delle dimensioni dell'ordine di non più di alcuni decimi di millimetro.

Nella soluzione realizzativa ideale, l'elemento 9 conduttore di calore presenta quindi una struttura “porosa†in cui l'insieme dei vari pori, che sono tutti in comunicazione di fluido tra loro, definisce l'insieme dei microcanali 11. In questo modo, infatti, da un lato si riesce ad ottenere una superficie di scambio termico notevolmente elevata, dall'altro si genera un moto turbolento del fluido di raffreddamento all'interno dei microcanali 11. Entrambi tali fattori contribuiscono a massimizzare la rimozione del calore da parte del fluido di raffreddamento .

Per permettere la circolazione del fluido, inoltre, l'elemento 9 conduttore di calore comprende almeno una sezione di ingresso 12 ed almeno una sezione di uscita 13 del fluido di raffreddamento in comunicazione di fluido con detti microcanali 11 (nella forma realizzativa illustrata le sezioni di ingresso 12 e uscita 13 sono costituite da due raccordi idraulici). Nelle forme realizzative più complete della presente invenzione, il tubo 1 radiogeno à ̈ quindi dotato anche di mezzi di alimentazione di un fluido di raffreddamento in pressione ai mezzi di raffreddamento 8 (quali una pompa – non illustrata – ed appositi condotti 14).

Nella forma realizzativa preferita, l'elemento 9 conduttore di calore vantaggiosamente comprende una pluralità di lamine 15, 16 piane impaccate una sull'altra a formare un pacco lamellare 17 a sviluppo principalmente piano. Preferibilmente, inoltre, il pacco lamellare 17 si sviluppa principalmente parallemente alle lamine (figura 2).

Nel pacco lamellare 17 si possono individuare due lamine di estremità 15 (alle quali sono collegate la sezione di ingresso 12 e la sezione di uscita 13) che sono sostanzialmente prive di aperture (ad eccezione di quelle per il collegamento delle sezioni di ingresso 12 e di uscita 13 del fluido di raffreddamento), ed una pluralità di lamine interne 16.

Come si vede nelle figure 3 e 4, ciascuna lamina interna 16 del pacco lamellare 17 presenta una pluralità di aperture 18 passanti distribuite sulla propria superficie. A tale scopo ciascuna lamina interna 16 à ̈ vantaggiosamente conformata a griglia con maglie regolari. Nella forma realizzativa illustrata ciascuna apertura 18 ha forma trilobata definita da una maglia esagonale che presenta tre aree circolari 19 in corrispondenza di spigoli alterni dell'esagono.

Allo scopo di realizzare i microcanali 11, una volta realizzato il pacco le aperture 18 di ciascuna lamina sono solo in parte allineate con le aperture 18 delle lamine ad essa immediatamente adiacenti. In particolare se la forma e la dimensione delle maglie à ̈ la stessa per tutte le lamine, nel pacco lamellare 17 le maglie di ciascuna lamina risultano sfalsate rispetto alle maglie delle lamine ad essa affacciate.

Vantaggiosamente, inoltre, ciascuna apertura 18 di ciascuna lamina interna 16 del pacco lamellare 17 Ã ̈ inoltre in parte affacciata ad almeno due diverse aperture 18 di ciascuna lamina interna 16 ad essa direttamente affacciata, in modo tale da metterle tra loro in comunicazione di fluido.

Tale situazione à ̈ schematicamente illustrata nelle figure 5 e 6 che mostrano le lamine delle figure 3 e 4 accoppiate una sull'altra. A solo scopo di rendere il disegno meglio intelleggibile, in figura 5 la lamina di figura 3 à ̈ posizionata sopra ed à ̈ interamente colorata di nero, mentre la lamina di figura 4 à ̈ posizionata al di sotto. In figura 5, inoltre, la freccia tratteggiata indica un possibile percorso del fluido di raffreddamento (quando la freccia attraversa un tratto della lamina colorata di nero, si deve intendere che il flusso del fluido scorre nell'apertura 18 della lamina sottostante).

Nella forma realizzativa preferita, inoltre, il pacco lamellare 17 à ̈ ottenuto alternando due sole tipologie di lamine interne 16 (quali quelle delle figure 3 e 4). Vantaggiosamente, poi, nella forma realizzativa illustrata tutte le lamine hanno la stessa forma: quella di figura 4 infatti non à ̈ altro che la stessa lamina di figura 3 capovolta. Le lamine 16 sono inoltre dimensionate in modo tale che le parti circolari 19 delle maglie di una lamina si sovrappongano esattamente a quelle delle maglie adiacenti.

Allo scopo di ottenere un corretto effetto filtrante delle radiazioni X, inoltre, l'elemento 9 conduttore di calore à ̈ vantaggiosamente realizzato in un materiale noto per avere tale proprietà, quale rame o berillio o un altro metallo.

Vantaggiosamente, poi, nelle forme realizzative preferite il pacco lamellare 17 ha spessore inferiore ad 1 cm mentre ciascuna lamina 15, 16 ha spessore dell'ordine di alcuni decimi di millimetro se non addirittura meno. Come già anticipato, infine, la forma realizzativa sin qui descritta della presente invenzione rappresenta una delle possibili forme realizzative più semplici. Tuttavia, con gli aggiustamenti del caso, la presente invenzione può essere vantaggiosamente applicata anche al caso di forme realizzative più complesse, quali forme realizzative munite di mezzi di centratura e focalizzazione del flusso elettronico e dei raggi X, o forme realizzative ad anodo rotante (in questo caso sarà ovviamente richiesto un opportuna realizzazione delle sezioni di ingresso 12 ed uscita 13).

Il funzionamento del tubo 1 radiogeno oggetto della presente invenzione à ̈ sostanzialmente analogo a quello dei tubi tradizionali per quanto riguarda la generazione dei raggi X. Il catodo 4 infatti emette elettroni E che vengono accelerati dalla differenza di potenziale V applicata tra catodo 4 e anodo 5 raggiungendo una certa velocità ed acquistando quindi una certa energia cinetica, una piccola parte della quale si trasforma in raggi X nel momento in cui gli elettroni E colpiscono l'anodo 5.

La radiazione forward che si viene a generare attraversa quindi l'elemento 9 conduttore di calore che provvede ad eliminare le lunghezze d'onda indesiderate, mentre quelle utili possono raggiungere indisturbate la sezione di uscita 13.

Al tempo stesso, il fluido di raffreddamento viene fatto circolare in pressione nei microcanali 11 garantendo l'opportuno raffreddamento dell'anodo 5 termicamente associato all'elemento 9 conduttore di calore.

La presente invenzione consegue importanti vantaggi.

Grazie alla presente invenzione infatti à ̈ stato possibile mettere a punto un tubo radiogeno che, a parità di potenza assorbita, garantisce una potenza disponibile in termini di radiazione X notevolmente più elevata, vale a dire tubi con effecienze notevolmente maggiori.

In alternativa, a parità di potenza disponibile, la presente invenzione permette di realizzare tubi radiogeni molti meno costosi di quelli tradizionali. Va infine rilevato che la presente invenzione risulta di relativamente facile realizzazione e che anche il costo connesso alla sua attuazione non risulta molto elevato.

L’invenzione così concepita à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo che la caratterizza.

Tutti i dettagli sono rimpiazzabili da altri tecnicamente equivalenti ed i materiali impiegati, nonché le forme e le dimensioni dei vari componenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Tubo radiogeno comprendente: un elemento di contenimento (2) presentante una sezione di emissione (3) di raggi X; un catodo (4) montato all'interno dell'elemento di contenimento (2); un anodo (5) montato all'interno dell'elemento di contenimento (2) distanziato dal catodo 4 e realizzato in materiale in grado di emettere raggi X se colpito da elettroni E aventi una energia cinetica predeterminata, detto anodo (5) presentando una prima faccia (6) principale sostanzialmente rivolta verso il catodo (4) ed una seconda faccia (7) principale rivolta dal lato opposto rispetto alla prima faccia (6); mezzi di raffreddamento (8) applicati alla seconda faccia (7) principale dell'anodo (5); e mezzi di filtro (10) per filtrare sulla base delle rispettive lunghezze d'onda, le radiazioni X emesse dall'anodo (5); caratterizzato dal fatto che i mezzi di filtro (10) sono costituiti dai mezzi di raffreddamento (8) e dal fatto che la sezione di emissione (3) delle radiazioni X Ã ̈ posizionata in modo tale da ricevere, in uso, le radiazioni X emesse dalla seconda faccia (7) principale dell'anodo (5) dopo che esse hanno attraversato i mezzi di filtro (10).
2. 2. Tubo radiogeno secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che i mezzi di raffreddamento (8) ed i mezzi di filtro (10) sono costituti da un elemento (9) conduttore di calore termicamente accoppiato alla seconda faccia (7) dell'anodo (5) e dotato al proprio interno di una pluralità di microcanali (11) al cui interno, in uso, può scorrere con moto turbolento un liquido di raffreddamento in pressione.
3. 3. Tubo radiogeno secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che l'elemento (9) conduttore di calore comprende una pluralità di lamine piane impaccate una sull'altra a formare un pacco lamellare (17) a sviluppo principalmente piano, ciascuna lamina interna (16) del pacco lamellare (17) presentando una pluralità di aperture (18) passanti distribuite sulla propria superficie, le aperture (18) di ciascuna lamina essendo solo in parte allineate con le aperture (18) delle lamine immediatamente adiacenti, l'insieme delle aperture (18) delle varie lamine definendo detta pluralità di microcanali (11).
4. 4. Tubo radiogeno secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che ciascuna apertura (18) di ciascuna lamina interna (16) del pacco lamellare (17) Ã ̈ in parte affacciata ad almeno due diverse aperture (18) di ciascuna lamina interna (16) ad essa direttamente affacciata, in modo tale da metterle tra loro in comunicazione di fluido.
5. 5. Tubo radiogeno secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3 e 4 caratterizzato dal fatto che le lamine interne (16) del pacco lamellare (17) sono conformate a griglia con maglie regolari, le maglie di ciascuna lamina essendo sfalsate rispetto alle maglie delle lamine ad essa affacciate.
6. 6. Tubo radiogeno secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 5 caratterizzato dal fatto che detto pacco lamellare (17) ha spessore inferiore ad 1 cm e dal fatto che ciascuna lamina ha spessore dell'ordine di alcuni decimi di millimetro.
7. 7. Tubo radiogeno secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6 caratterizzato dal fatto che detto elemento (9) conduttore di calore à ̈ realizzato in metallo.
8. 8. Tubo radiogeno secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 7 caratterizzato dal fatto che l'elemento (9) conduttore di calore comprende inoltre almeno una sezione di ingresso (12) ed almeno una sezione di uscita 13 del fluido di raffreddamento in comunicazione con detti microcanali (11).
9. 9. Tubo radiogeno secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre mezzi di alimentazione di un fluido di raffreddamento in pressione ai mezzi di raffreddamento (8).