RU2138879C1

RU2138879C1 - X-ray tube

Info

Publication number: RU2138879C1
Application number: RU98114787A
Authority: RU
Inventors: А.С. Гонтарь; В.А. Зазноба; Р.Я. Кучеров; Ю.В. Николаев; М.Л. Таубин
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 1999-09-27

Abstract

FIELD: flaw detection, medicine, security systems. SUBSTANCE: proposed X-ray tube has cathode with electron-optical system, anode which one part on side of cathode as minimum is made from refractory monocrystalline material, for instance, wolfram. Electrostatic device deflecting electrons is placed between cathode and anode. Mentioned part of anode has thickness not less than length of dechannelling of electrons in material. One of systems of monocrystalline planes or atomic chains in volume of monocrystalline material is oriented in parallel to direction of motion of electron beam with precision up to 0.5 deg. Electron beam is formed by electron-optical system with divergence not more than 0.1 deg under voltage not less than 100.0 kV. EFFECT: enhanced intensity of X-ray radiation of tube without growth of thermal load on anode. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано в медицине, дефектоскопии, охранных системах, а также в научных исследованиях. The invention relates to the field of X-ray technology and can be used in medicine, flaw detection, security systems, as well as in scientific research.

Известны рентгеновские трубки (РТ) включающие источник электронов - катод, источник рентгеновского излучения - неподвижный анод и вакуумно-плотный корпус (см. , например, книгу Ф.Н. Хараджи "Общий курс рентгенотехники", М. -Л. , Энергия, 1966, с. 162-185). Интенсивность рентгеновского излучения таких трубок определяется допустимой тепловой нагрузкой на анод, которая не превышает нескольких киловатт при экспозиции длительностью (0,1-5) сек (см., например, книгу Ю.Д. Денискина и Ю.А. Чижуновой "Медицинские рентгеновские трубки и излучатели", М., Энергоатомиздат, 1984, с. 184-186). Повышение тепловой нагрузки, а следовательно и интенсивности рентгеновского излучения ограничено недопустимым ростом температуры материала анода в фокусном пятне. X-ray tubes (RTs) are known that include an electron source — a cathode; an X-ray source — a fixed anode and a vacuum-tight casing (see, for example, F.N. Kharaji’s book “General Course of X-ray Engineering”, M.-L., Energy, 1966 p. 162-185). The x-ray intensity of such tubes is determined by the permissible thermal load on the anode, which does not exceed several kilowatts during an exposure of (0.1-5) sec (see, for example, the book “Medical X-ray tubes by Yu.D. Deniskin and Yu.A. Chizhunova) and emitters ", M., Energoatomizdat, 1984, p. 184-186). An increase in the heat load, and hence the intensity of the x-ray radiation, is limited by an unacceptable increase in the temperature of the anode material in the focal spot.

Известны также рентгеновские трубки с вращающимся анодом (см., например, книгу Ф. Н. Хараджи "Общий курс рентгенотехники", М.-Л., Энергия, 1966, с. 188-192). Аноды таких трубок выдерживают нагрузку на уровне 100 кВт при экспозиции продолжительностью в (0,1-1) сек (см., например, книгу Ю.Д. Денискина и Ю. А. Чижуновой "Медицинские рентгеновские трубки и излучатели", М., Энергоатомиздат, 1984, с. 186-203). Это достигается тем, что при вращении анода нагрузка распределяется по фокусной дорожке, площадь которой в сотни раз превосходит площадь фокусного пятна. Дальнейшее увеличение тепловой нагрузки в РТ с вращающимся анодом сдерживается дополнительным, более жестким ограничением на среднемассовую рабочую температуру анода, так как последний эксплуатируется в условиях напряженного состояния, вызванного центробежными силами. Например, для M₀ предельной принята температура рекристаллизации (≈ 1800^oC), при которой происходит резкое снижение его кратковременной механической прочности и сопротивления ползучести. Использование структурно-стабильных материалов (см. патент России N 2029408 по классу 6 H 01 J 35/10, 1977 г.), таких как монокристаллический молибден и его сплавы позволяют повысить среднемассовую рабочую температуру анода до (1900-2000)^oC и соответственно увеличить тепловую нагрузку. Однако дальнейший рост температуры анода приводит к недопустимым деформациям ползучести анода, а одновременное увеличение температуры фокусной дорожки вызывает неприемлемые скорости испарения материала рабочей поверхности.X-ray tubes with a rotating anode are also known (see, for example, the book by F. N. Haraji "General course of X-ray engineering", M.-L., Energia, 1966, pp. 188-192). The anodes of such tubes can withstand a load of 100 kW with an exposure lasting (0.1-1) seconds (see, for example, the book by Yu.D. Deniskin and Yu. A. Chizhunova "Medical X-ray tubes and emitters", M., Energoatomizdat, 1984, p. 186-203). This is achieved by the fact that during the rotation of the anode, the load is distributed along the focal track, the area of which is hundreds of times greater than the area of the focal spot. A further increase in the thermal load in the RT with a rotating anode is constrained by an additional, more stringent restriction on the average mass working temperature of the anode, since the latter is operated under stress conditions caused by centrifugal forces. For example, for M ₀ , the recrystallization temperature (≈ 1800 ^o C) is accepted as the limit, at which there is a sharp decrease in its short-term mechanical strength and creep resistance. The use of structurally stable materials (see Russian patent N 2029408 for class 6 H 01 J 35/10, 1977), such as monocrystalline molybdenum and its alloys, can increase the average mass working temperature of the anode to (1900-2000) ^o C and accordingly increase heat load. However, a further increase in the temperature of the anode leads to unacceptable creep deformations of the anode, and a simultaneous increase in the temperature of the focal track causes unacceptable evaporation rates of the material of the working surface.

Таким образом, достигнутые среднемассовые рабочие температуры анода в действующих РТ с неподвижным и вращающимся анодом являются основным ограничивающим фактором дальнейшего увеличения интенсивности рентгеновского излучения. Thus, the achieved average mass working temperatures of the anode in operating RTs with a fixed and rotating anode are the main limiting factor for a further increase in the intensity of x-ray radiation.

Задачей настоящего изобретения является увеличение интенсивности рентгеновского излучения РТ без увеличения тепловой нагрузки на анод. The objective of the present invention is to increase the intensity of x-ray radiation of RT without increasing thermal load on the anode.

Указанная задача решается тем, что в рентгеновской трубке, включающей катод с электронно-оптической системой, анод, по меньшей мере часть которого со стороны катода выполнена из тугоплавкого монокристаллического материала, например, вольфрама, между катодом и анодом расположено отклоняющее электроны электростатическое устройство, в части анода, противостоящей катоду, толщиной не менее длины деканалирования электронов в материале, одна из систем кристаллографических плоскостей или атомных цепочек ориентирована параллельно направлению движения пучка электронов с точностью до 0,5^o, пучок электронов сформирован электронно-оптической системой с расходимостью не более 0,1^o, а напряжение выбрано не ниже 100 кВ.This problem is solved by the fact that in an x-ray tube comprising a cathode with an electron-optical system, the anode, at least part of which on the cathode side is made of refractory single-crystal material, for example, tungsten, an electron-deflecting electrostatic device is located between the cathode and the anode, in part one of the systems opposite the cathode, with a thickness not less than the length of electron decanning in the material, one of the systems of crystallographic planes or atomic chains is oriented parallel to th motion of the electron beam with an accuracy of 0,5 ^o, the electron beam generated electron-optical system with a divergence of no more than 0,1 ^o, and the voltage is selected below 100 kV.

Совокупность указанных отличительных признаков РТ позволяет реализовать в материале анода эффект каналирования электронов и, соответственно, увеличить интенсивность рентгеновского излучения. Действительно, при движении электронов параллельно кристаллографической плоскости или атомной цепочке монокристалла они, как известно (см. , например, книгу М. А. Кумахова "Излучение каналированных частиц в кристаллах", М., Энергоатомиздат, 1986, с. 16-18), захватываются в так называемые каналы, поперечные размеры которых составляют доли ангстрема, что значительно меньше параметра кристаллической решетки. В результате этого траектории электронов располагаются гораздо ближе к атомным ядрам, чем в отсутствие каналирования. При этих условиях увеличивается вероятность близких (с прицельным расстоянием ≈ 5 • 10^-12 см и менее) столкновений электронов с ядрами атомов при которых тормозное излучение генерируется в рентгеновском диапазоне спектра.The combination of these distinguishing features of the RT makes it possible to realize the effect of electron channeling in the anode material and, accordingly, increase the intensity of X-ray radiation. Indeed, when electrons move parallel to the crystallographic plane or atomic chain of a single crystal, they are known (see, for example, the book by M. A. Kumakhov "Radiation of channeled particles in crystals", M., Energoatomizdat, 1986, p. 16-18) captured in the so-called channels, the transverse dimensions of which are fractions of an angstrom, which is significantly less than the crystal lattice parameter. As a result of this, electron paths are much closer to atomic nuclei than in the absence of channeling. Under these conditions, the probability of close (with an impact distance ≈ 5 • 10 ^-12 cm and less) collisions of electrons with atomic nuclei in which bremsstrahlung is generated in the x-ray spectrum of the spectrum increases.

Проведенные расчеты показали, что интенсивность излучения электронов с энергией 100 кэВ, движущихся в вольфраме вдоль направления <111> возрастает до (10-15) раз. The calculations showed that the radiation intensity of electrons with an energy of 100 keV moving in tungsten along the <111> direction increases to (10-15) times.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором приведен конкретный пример выполнения РТ с неподвижным анодом. The invention is illustrated in the drawing, which shows a specific example of a RT with a fixed anode.

Рентгеновская трубка имеет: 1 - выпускное окно, 2 - анод, часть которого, противостоящая катоду, толщиной не менее длины деканалирования электронов в материале, выполнена с ориентацией одной из систем кристаллографических плоскостей или атомных цепочек параллельно направлению движения пучка электронов, 3 - отклоняющее электростатическое устройство, ориентирующее пучок электронов вдоль одной из систем кристаллографических плоскостей или атомных цепочек материала анода, 4 - катод с электронно-оптической системой, формирующей электронный пучок с заданной расходимостью, 5 - держатель катода, 6 - металлокерамический корпус, 7 - изолятор, 8 - высоковольтный ввод. An X-ray tube has: 1 - an outlet window, 2 - an anode, a part of which is opposed to the cathode, with a thickness not less than the length of the electron channeling in the material, made with the orientation of one of the systems of crystallographic planes or atomic chains parallel to the direction of the electron beam, 3 - deflecting electrostatic device , orienting the electron beam along one of the systems of crystallographic planes or atomic chains of the anode material, 4 - the cathode with the electron-optical system that forms the electron a test lead with a given divergence, 5 - a cathode holder, 6 - a ceramic-metal case, 7 - an insulator, 8 - a high-voltage input.

Проведенные расчеты электростатических потенциалов внутри кристаллических решеток показывают, что потенциал для электрона в решетке металлических ионов начинает заметно убывать при приближении к ядру на расстояние ≈ 0,1•а, где а - постоянная решетки. При этом понижение энергии электрона составляет ≈ 10 эВ. Кинетическая энергия электрона Ek при движении по каналу имеет две составляющие:

где v_par - скорость электрона вдоль канала, направленная параллельно цепочки атомов, v_per - скорость электрона в поперечном направлении. Естественно, что локализация электронов в поперечном направлении наступает при условии, когда

≤ 10 эВ. При этом отклонение траектории движения электронов по отношению к выведенным на поверхность анода кристаллографическим плоскостям или атомным цепочкам может быть найдено из следующего приближенного соотношения

При напряжении на трубке 100 кВ и выше угол

Доля захваченных в режим каналирования электронов зависит от начального угла влета (β) электронов в канал. От угла β также зависит и интенсивность рентгеновского излучения. Проведенные расчеты показали, что интенсивность рентгеновского излучения резко падает, когда в канал захватывается меньше 40% падающих на анод электронов. В частности, для направления <111> в вольфраме такое количество электронов захватывается в канал при отношении β/α ≈ 0,2 (см. , например, книгу М.А. Кумахова "Излучение каналированных частиц в кристаллах", М., Энергоатомиздат, 1986, с. 63). Следовательно, угол влета электронов в канал должен быть равен β ≈ 0,2•α = 0,2•0,5 = 0,1^°. Такой угол влета электронов в канале будет обеспечен, если расходимость пучка не будет превышать 0,1^o.The calculations of electrostatic potentials inside crystal lattices show that the potential for an electron in the lattice of metal ions begins to noticeably decrease when approaching the nucleus by a distance of ≈ 0.1 • a, where a is the lattice constant. In this case, the decrease in electron energy is ≈ 10 eV. The kinetic energy of the electron Ek when moving along the channel has two components:

where v _par is the electron velocity along the channel directed parallel to the chain of atoms, v _per is the electron velocity in the transverse direction. Naturally, the localization of electrons in the transverse direction occurs when

≤ 10 eV. In this case, the deviation of the electron trajectory with respect to the crystallographic planes or atomic chains brought to the surface of the anode can be found from the following approximate relation

At a tube voltage of 100 kV and higher, the angle

The fraction of electrons trapped in the channeling mode depends on the initial angle of entry (β) of the electrons into the channel. The x-ray intensity also depends on the angle β. The calculations showed that the intensity of x-ray radiation drops sharply when less than 40% of the electrons incident on the anode are captured in the channel. In particular, for the direction <111> in tungsten, such a number of electrons is captured into the channel at a ratio β / α ≈ 0.2 (see, for example, the book by M. A. Kumakhov "Radiation of channeled particles in crystals", M., Energoatomizdat, 1986, p. 63). Therefore, the angle of entry of electrons into the channel should be equal to β ≈ 0.2 • α = 0.2 • 0.5 = 0.1 ^° . This angle of entry of electrons in the channel will be provided if the beam divergence does not exceed 0.1 ^o .

При движении по каналу электрон излучает энергию. Длина, на которой происходит излучение, называется длиной деканалирования электронов, которая пропорциональна энергии падающего электрона (см., например, книгу М.А. Кумахова "Излучение каналированных частиц в кристаллах", М., Энергоатомиздат, 1986, с. 68). Для энергий от 100 кэВ и выше для вольфрама длина деканалирования возрастает от несколько сот нанометров до нескольких десятков микрометров. When moving along a channel, an electron radiates energy. The length at which radiation occurs is called the electron decanning length, which is proportional to the energy of the incident electron (see, for example, the book by M. A. Kumakhov "Radiation of channeled particles in crystals", M., Energoatomizdat, 1986, p. 68). For energies of 100 keV and higher for tungsten, the length of the dechanneling increases from several hundred nanometers to several tens of micrometers.

Окончательная настройка рентгеновской трубки на максимальный выход рентгеновского излучения осуществляется с помощью отклоняющего устройства перед вводом трубки в эксплуатацию. The final adjustment of the x-ray tube to the maximum output of x-ray radiation is carried out using a deflecting device before putting the tube into operation.

Claims

1. An x-ray tube comprising a cathode with an electron-optical system, the anode, at least part of which is made of a refractory single-crystal material from the side of the cathode, characterized in that an electron-deflecting electrostatic device is located between the cathode and the anode, in the thickness of the anode, the cathode is thick not less than the length of electron decanning in its material, one of the systems of crystallographic planes or atomic chains in the volume of a single-crystal material is oriented parallel to the motion of the electron beam with an accuracy of 0.5 deg. , an electron beam is formed with a divergence of not more than 0.1 deg. at a voltage of at least 100 kV.

2. The x-ray tube according to claim 1, characterized in that tungsten is used as a refractory single-crystal material.