RU2284071C1 - X-ray pulse generator - Google Patents

X-ray pulse generator Download PDF

Info

Publication number
RU2284071C1
RU2284071C1 RU2005111112/28A RU2005111112A RU2284071C1 RU 2284071 C1 RU2284071 C1 RU 2284071C1 RU 2005111112/28 A RU2005111112/28 A RU 2005111112/28A RU 2005111112 A RU2005111112 A RU 2005111112A RU 2284071 C1 RU2284071 C1 RU 2284071C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
ray
anode
cathode
vacuum
Prior art date
Application number
RU2005111112/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Матвеевич Лупехин (RU)
Сергей Матвеевич Лупехин
Original Assignee
Лютиков Александр Петрович
Сергей Матвеевич Лупехин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Лютиков Александр Петрович, Сергей Матвеевич Лупехин filed Critical Лютиков Александр Петрович
Priority to RU2005111112/28A priority Critical patent/RU2284071C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2284071C1 publication Critical patent/RU2284071C1/en

Links

Landscapes

  • X-Ray Techniques (AREA)

Abstract

FIELD: roentgen diagnostics and therapy in medicine and various processes including flaw detection and scientific research.
SUBSTANCE: proposed X-ray pulse generator has X-ray tube effective surface area of whose point cathode and anode is not over 10-6 m2 and preset cathode-to-anode distance is minimum, 10-3 m; it also has high-voltage pulse generator whose heavy-current high-voltage pulse shaper is made in the form of heavy-current high-voltage vacuum or gas-discharge switching unit incorporating electrode that controls switching unit triggering and is provided with additional high-voltage filter inserted in its circuit. Linear size of X-ray radiator focal spot is 0.1-0.5 mm. X-ray quanta energy can be regulated between 20 and 150 keV; X-ray pulse length is about 10-8 to 10-6 s.
EFFECT: reduced size of X-ray tube.
1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к источникам импульсного рентгеновского излучения, предназначенным для использования в различных технологических процессах, в частности для дефектоскопии, а также в медицине и научных исследованиях.The proposed device relates to sources of pulsed x-ray radiation, intended for use in various technological processes, in particular for flaw detection, as well as in medicine and scientific research.

Известно устройство для генерации импульсного рентгеновского излучения (XR 150), состоящее из импульсной рентгеновской трубки и генератора импульсных напряжений, с длительностью рентгеновского излучения 60 нс и фиксированной энергией рентгеновских квантов 150 кэВ. Линейный размер фокусного пятна рентгеновского излучателя составляет 2,2 мм (US, XTEK, www.xtek.net).A device for generating pulsed x-ray radiation (XR 150), consisting of a pulsed x-ray tube and a pulse voltage generator, with a duration of x-ray radiation of 60 ns and a fixed energy of x-ray quanta of 150 keV. The linear size of the focal spot of the x-ray emitter is 2.2 mm (US, XTEK, www.xtek.net).

Невозможность регулирования длительности импульса рентгеновского излучения и энергии рентгеновских квантов наряду с большим линейным размером фокусного пятна существенно ограничивают возможности данного устройства, в частности, в области рентгеновской дефектоскопии и медицинской рентгенодиагностики из-за больших линейных размеров фокусного пятна, задающего разрешающую способность устройства.The inability to control the duration of the X-ray pulse and the energy of the X-ray quanta along with the large linear size of the focal spot significantly limits the capabilities of this device, in particular, in the field of X-ray flaw detection and medical X-ray diagnostics due to the large linear dimensions of the focal spot, which determines the resolution of the device.

Известен генератор импульсного рентгеновского излучения, в состав которого входит импульсная рентгеновская трубка и генератор высоковольтных импульсных напряжений. Данное устройство позволяет получать рентгеновские импульсы с фиксированной энергией рентгеновских квантов, определяемой импульсным напряжением 200 кВ, ускоряющим электронный пучок в рентгеновской трубке. Длительность импульсов излучения составляет ~10-9 с, линейный размер фокусного пятна рентгеновского излучения 2 мм. Рентгеновская трубка представляет собой двухэлектродную систему - вакуумный высоковольтный диод с катодом в виде плоского диска и анодом в виде конусообразного протяженного стержня. Генератор высоковольтного импульсного напряжения состоит из первичного накопителя энергии с низковольтным коммутатором, импульсного высоковольтного трансформатора, вторичного накопителя и высоковольтного коммутатора в виде двухэлектродного газового разрядника (патент РФ №2095947, H 05 G 1/06, H 01 J 35/00, опубл. 10.11.1997 г.).A known generator of pulsed x-ray radiation, which includes a pulsed x-ray tube and a generator of high voltage pulse voltage. This device allows you to receive x-ray pulses with a fixed energy of x-ray quanta, determined by a pulse voltage of 200 kV, accelerating the electron beam in the x-ray tube. The duration of the radiation pulses is ~ 10 -9 s, the linear size of the focal spot of the x-ray radiation is 2 mm. An X-ray tube is a two-electrode system - a vacuum high-voltage diode with a cathode in the form of a flat disk and an anode in the form of a cone-shaped extended rod. The high-voltage pulse generator consists of a primary energy storage device with a low-voltage switch, a high-voltage pulse transformer, a secondary storage device and a high-voltage switch in the form of a two-electrode gas spark gap (RF patent No. 2095947, H 05 G 1/06, H 01 J 35/00, publ. 10.11 .1997).

Рассмотренное устройство имеет ряд существенных недостатков: конструкция рентгеновской трубки и физические свойства сформированного в ней электронного пучка таковы, что не позволяют создавать импульс рентгеновского излучения длительностью более 10-8 с, значительно ограничивая регулирование времени импульсного излучения; линейный размер фокусного пятна рентгеновского излучателя не менее 2 мм; энергия рентгеновских квантов не регулируется. Генератор импульсных напряжений не имеет оперативного и автономного устройства запуска высоковольтного коммутатора, что не позволяет эффективно синхронизировать работу генератора с работой других устройств.The considered device has a number of significant drawbacks: the design of the x-ray tube and the physical properties of the electron beam formed in it are such that they do not allow the generation of an x-ray pulse of a duration of more than 10 -8 s, significantly limiting the regulation of the time of the pulse radiation; the linear size of the focal spot of the x-ray emitter is at least 2 mm; the energy of x-ray quanta is not regulated. The pulse voltage generator does not have an operational and autonomous device for starting a high-voltage switch, which does not allow efficiently synchronizing the operation of the generator with the work of other devices.

Настоящее устройство выбрано за прототип.This device is selected as a prototype.

В основу изобретения положена задача получения высокоинтенсивного пучка импульсного рентгеновского излучения с линейными размерами фокусного пятна рентгеновского излучателя 0.1 - 0.5 мм, с возможностью регулирования энергии рентгеновских квантов в пределах 20-150 кэВ и длительностью импульса рентгеновского излучения ~10-8-10-6 с, а также уменьшения габаритов рентгеновской трубки.The basis of the invention is the task of obtaining a high-intensity beam of pulsed x-ray radiation with linear dimensions of the focal spot of the x-ray emitter 0.1 - 0.5 mm, with the ability to control the energy of x-ray quanta within 20-150 keV and the duration of the x-ray pulse of ~ 10 -8 -10 -6 s, as well as reducing the dimensions of the x-ray tube.

Решение вышеуказанной задачи обеспечивается тем, что в генераторе импульсного рентгеновского излучения, который состоит из рентгеновского излучателя - рентгеновской трубки, содержащей вакуумно-плотный электроизолирующий корпус, в вакуумном объеме которого располагают высоковольтную диодную систему с катодом, закрепленным с электрическим контактом на высоковольтном вводе и установленном напротив анода-мишени с окном для вывода рентгеновского излучения из вакуумного объема и генератора высоковольтных импульсов напряжения, состоящего из высоковольтного источника напряжения с накопительной электрической емкостью и высоковольтного сильноточного формирователя импульсов, в предлагаемой рентгеновской трубке катод и анод выполнены точечными, с площадью рабочей поверхности не более 10-6 м2, при этом расстояние между катодом и анодом заданы не менее 10-3 м, а в генераторе высоковольтных импульсов напряжения высоковольтный сильноточный формирователь импульсов выполнен в виде высоковольтного сильноточного вакуумного либо газоразрядного коммутатора, в состав которого включен электрод, управляющий запуском коммутатора, при этом в цепь управляющего электрода включен дополнительный высоковольтный фильтр.The solution to the above problem is provided by the fact that in the generator of pulsed x-ray radiation, which consists of an x-ray emitter - an x-ray tube containing a vacuum-tight electrically insulating body, in the vacuum volume of which there is a high-voltage diode system with a cathode mounted with an electrical contact on the high-voltage input and installed opposite target anode with a window for outputting x-ray radiation from the vacuum volume and the generator of high voltage voltage pulses, consisting th from the high voltage source with the accumulation capacitance and a high-current high-voltage pulse generator, the proposed X-ray tube cathode and the anode are made by point, with a working surface area of not more than 10 -6 m 2, the distance between the cathode and the anode are given at least 10 -3 m, and in the generator of high-voltage voltage pulses, the high-voltage high-current pulse shaper is made in the form of a high-voltage high-current vacuum or gas-discharge switch, of which The electrode that controls the start of the switch is switched on, while an additional high-voltage filter is included in the control electrode circuit.

Решение поставленной задачи обеспечивают указанные отличия.The solution to the problem provide the specified differences.

Использование точечных катода и анода с жестко ограниченными рабочими поверхностями обеспечивают импульсный электронный ток на анод ~10-102 А и задает электронный пучок с плотностью тока на аноде ~103-105 А/см2. При указанных ускоряющих напряжениях 20-150 кВ на аноде-мишени выделяется импульсная мощность - 105-107 Вт, позволяющая получать дозу рентгеновского излучения за один импульс не менее 0,5 Р.The use of a point cathode and anode with strictly limited working surfaces provides a pulsed electron current to the anode of ~ 10-10 2 A and sets an electron beam with a current density of the anode of ~ 10 3 -10 5 A / cm 2 . At the indicated accelerating voltages of 20-150 kV, a pulsed power of 10 5 -10 7 W is released at the target anode, which makes it possible to obtain a dose of x-ray radiation per pulse of at least 0.5 R.

Конструкция предлагаемой диодной системы, прежде всего длина промежутка катод - анод ~10-4-10-2 м дает возможность работать с импульсными напряжениями в указанных пределах 20-150 кВ.The design of the proposed diode system, first of all, the cathode-anode gap length of ~ 10 -4 -10 -2 -2 m makes it possible to work with pulsed voltages in the specified range of 20-150 kV.

Предельно ограниченная рабочая площадь анода-мишени задает минимальную площадь фокусного пятна рентгеновского излучателя.The extremely limited working area of the target anode sets the minimum focal spot area of the x-ray emitter.

Применяемая геометрия диодной системы совместно с точечной конструкцией катода и анода создают возможность устойчивой работы устройства в широком диапазоне импульсных напряжений ~10-8-10-6 с.The applied geometry of the diode system together with the point design of the cathode and anode create the possibility of stable operation of the device in a wide range of pulsed voltages of ~ 10 -8 -10 -6 s.

Сверхмалые размеры рабочих элементов рентгеновской трубки обеспечивают небольшие габариты рентгеновского излучателя, который одновременно имеет простую, технологичную и надежную конструкцию.The ultra-small dimensions of the working elements of the x-ray tube provide small dimensions of the x-ray emitter, which at the same time has a simple, technologically advanced and reliable design.

Рентгеновская трубка состоит из двух электродов - катода и анода-мишени, а также окна, прозрачного для рентгеновского излучения. На аноде-мишени энергия электронного пучка, источником которого является катод, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Система анод - катод находится в вакуумной колбе из электроизолирующего материала, что обеспечивает электрическую изоляцию катода от анода. Катод закреплен на высоковольтном вводе и гарантирует эффективную работу рентгеновской трубки при давлении остаточных газов в вакуумной колбе ~10-3-10-4 Торр. Низкий рабочий вакуум также упрощает технологию изготовления трубки. Предлагаемый рентгеновский излучатель не нуждается в системе охлаждения анода-мишени. Испытания устройства при максимальных интенсивностях рентгеновского излучения показали, что при ресурсе эксплуатации 104 импульсных включений разрушения мишени не происходит.An x-ray tube consists of two electrodes - a cathode and a target anode, as well as a window that is transparent to x-ray radiation. At the target anode, the energy of the electron beam, whose source is the cathode, is converted into X-ray energy. The anode-cathode system is located in a vacuum flask of electrically insulating material, which provides electrical isolation of the cathode from the anode. The cathode is mounted on a high-voltage input and guarantees the effective operation of the X-ray tube at a residual gas pressure of ~ 10 -3 -10 -4 Torr in a vacuum flask. The low working vacuum also simplifies tube manufacturing technology. The proposed x-ray emitter does not need a cooling system for the target anode. Tests of the device at maximum X-ray intensities showed that, with a service life of 10 4 pulse inclusions, the destruction of the target does not occur.

Конструкция предлагаемой импульсной рентгеновской трубки схематически изображена на чертеже, согласно которому она содержит диэлектрический изолирующий корпус (колбу) 1, например, из стекла или керамики, внутренний объем которого вакуумируется. В вакуумный объем помещены катод 2 и напротив катода анод-мишень 3. Катод закреплен с электрическим контактом на высоковольтном электрическом вводе 4. Анод-мишень закреплен на электрическом вводе 5. Электрические вводы 4 и 5 выведены из вакуумного корпуса 1 без нарушения вакуумных условий. В области рабочей поверхности анода-мишени, в стенке вакуумного корпуса создано окно 6 из вакуумно-плотного материала, например из бериллия, стекла или алюминия, прозрачного для рентгеновского излучения. Анод-мишень выполнен из электропроводящего материала и выполняет одновременно с анодной функцию преобразователя энергии электронного пучка в энергию рентгеновского излучения. К внешней по отношению к корпусу 1 части высоковольтного ввода 3 подключается генератор импульсного напряжения. Анодный ввод 4 заземлен.The design of the proposed pulsed x-ray tube is shown schematically in the drawing, according to which it contains a dielectric insulating body (flask) 1, for example, of glass or ceramic, the inner volume of which is evacuated. A cathode 2 is placed in the vacuum volume, and a target anode 3 opposite the cathode. The cathode is fixed with an electrical contact to the high-voltage electrical input 4. The target anode is fixed to the electrical input 5. Electrical inputs 4 and 5 are removed from the vacuum housing 1 without violating the vacuum conditions. In the region of the working surface of the target anode, in the wall of the vacuum casing, a window 6 is created from a vacuum-tight material, for example, from beryllium, glass or aluminum, transparent to x-ray radiation. The target anode is made of an electrically conductive material and simultaneously performs the function of converting the energy of the electron beam into x-ray energy. A pulse voltage generator is connected to an external part of the high-voltage input 3, which is external to the housing 1. Anode input 4 is grounded.

Генератор импульсного напряжения, блок-схема которого приведена на чертеже, состоит из высоковольтного блока питания I, сильноточного высоковольтного коммутатора II и блока генерации импульсов запуска III коммутатора II. Высоковольтный блок питания I включает в себя источник постоянного высокого напряжения 20-150 кВ, работающий от сети переменного или постоянного напряжения 12-220 В, и заряжаемую источником высоковольтную накопительную емкость. Сильноточный высоковольтный коммутатор II представляет собой вакуумный или газоразрядный прибор, рассчитанный на управляемую коммутацию токов силой не менее 100 А, с напряжением пробоя в отсутствие внешнего запуска не менее 200 кВ. Время коммутации 10-8-10-6 с. Управляемая коммутация обеспечивается генератором импульса запуска 3, подключенного к управляющему электроду коммутатора II. Для исключения пробоя генератора импульса запуска III высоковольтным импульсом, возникающим в процессе коммутации на управляющем электроде коммутатора II, в цепь, соединяющую генератор III с управляющим электродом, включен индуктивно-емкостной фильтр IY.The pulse voltage generator, the block diagram of which is shown in the drawing, consists of a high-voltage power supply I, a high-current high-voltage switch II and a start-up pulse generating unit III of switch II. The high-voltage power supply I includes a source of constant high voltage of 20-150 kV, operating from a network of alternating or direct voltage of 12-220 V, and a high-voltage storage capacitance charged by the source. The high-current high-voltage switch II is a vacuum or gas-discharge device designed for controlled switching of currents with a power of at least 100 A, with a breakdown voltage in the absence of an external trigger of at least 200 kV. Switching time 10 -8 -10 -6 s. Controlled switching is provided by the trigger pulse generator 3, connected to the control electrode of switch II. To exclude the breakdown of the trigger pulse generator III by a high-voltage pulse that occurs during switching on the control electrode of switch II, an inductance-capacitive filter IY is included in the circuit connecting the generator III to the control electrode.

Работа предлагаемого генератора импульсного рентгеновского излучения состоит в следующем.The work of the proposed generator of pulsed x-ray radiation is as follows.

На точечный катод 1 рентгеновской трубки через высоковольтный ввод 4 подается высоковольтный импульс напряжения отрицательной полярности с генератора импульсных напряжений. Анод-мишень 2 заземлен. Импульс напряжения вызывает интенсивную электронную эмиссию с катода 1 (эмиссионный ток с катода 10-100 А) и последующее формирование электронного пучка в промежутке анод-мишень 2 - катод 1 в соответствии с геометрией диодного промежутка. Электронный пучок, попадая на рабочую поверхность анода-мишени 2, взаимодействует с материалом мишени, в результате чего происходит генерация рентгеновского излучения, выходящего через окно 6.At the point cathode 1 of the x-ray tube through the high-voltage input 4, a high-voltage pulse of negative polarity voltage is supplied from the pulse voltage generator. The target anode 2 is grounded. The voltage pulse causes intense electron emission from the cathode 1 (emission current from the cathode 10-100 A) and the subsequent formation of an electron beam in the gap of the anode-target 2 - cathode 1 in accordance with the geometry of the diode gap. An electron beam, falling on the working surface of the target anode 2, interacts with the target material, as a result of which the generation of x-ray radiation emerging through the window 6.

Площадь фокусного пятна рентгеновского излучателя определяется площадью сечения взаимодействия электронного пучка с поверхностью мишени.The area of the focal spot of the x-ray emitter is determined by the cross-sectional area of the interaction of the electron beam with the target surface.

По конструкции предлагаемого устройства разработан и изготовлен действующий макет. Испытания макета показали его работоспособность и возможность получения указанных выше параметров, что подтверждает соответствие предлагаемой полезной модели критерию "промышленная применимость".According to the design of the proposed device, a working model was developed and manufactured. Tests of the layout showed its efficiency and the ability to obtain the above parameters, which confirms the compliance of the proposed utility model with the criterion of "industrial applicability".

Claims (1)

Генератор импульсного рентгеновского излучения, включающий рентгеновский излучатель - рентгеновскую трубку, содержащий вакуумноплотный электроизолирующий корпус, в вакуумном объеме которого расположена высоковольтная диодная система с катодом, закрепленным с электрическим контактом на высоковольтном вводе и установленном напротив анода-мишени, с окном для вывода рентгеновского излучения из вакуумного объема, и генератор высоковольтных импульсов напряжения, состоящий из высоковольтного источника напряжения с накопительной электрической емкостью и высоковольтного сильноточного формирователя импульсов, отличающийся тем, что в рентгеновской трубке катод и анод выполнены точечными, с площадью рабочей поверхности не более 10-6 м2, при этом расстояние между катодом и анодом заданы не менее 10-3 м, а в генераторе высоковольтных импульсов напряжения высоковольтный сильноточный формирователь импульсов выполнен в виде высоковольтного сильноточного вакуумного либо газоразрядного коммутатора, в состав которого включен электрод, управляющий запуском коммутатора, а в цепь управляющего электрода включен дополнительный высоковольтный фильтр.A pulsed X-ray generator, including an X-ray emitter — an X-ray tube containing a vacuum-tight electrical insulating body, in the vacuum volume of which there is a high-voltage diode system with a cathode mounted with an electrical contact on the high-voltage input and mounted opposite the target anode, with a window for removing X-rays from the vacuum volume, and a generator of high voltage voltage pulses, consisting of a high voltage voltage source with storage electric nical capacity and high voltage high current pulse generator, characterized in that the X-ray tube cathode and the anode are made by point, with a working surface area of not more than 10 -6 m 2, the distance between the cathode and the anode are set not less than 10 -3 m, and a high-voltage pulse generator high-voltage high-current pulse shaper is made in the form of a high-voltage high-current vacuum or gas-discharge switch, which includes an electrode that controls the start-up of the switch, and the gate electrode is turned on an additional high-voltage filter.
RU2005111112/28A 2005-04-11 2005-04-11 X-ray pulse generator RU2284071C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005111112/28A RU2284071C1 (en) 2005-04-11 2005-04-11 X-ray pulse generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005111112/28A RU2284071C1 (en) 2005-04-11 2005-04-11 X-ray pulse generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2284071C1 true RU2284071C1 (en) 2006-09-20

Family

ID=37113962

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005111112/28A RU2284071C1 (en) 2005-04-11 2005-04-11 X-ray pulse generator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2284071C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Moreno et al. Optical observations of the plasma motion in a fast plasma focus operating at 50 J
SU748926A1 (en) X-ray generator
US5014289A (en) Long life electrodes for large-area x-ray generators
US6064718A (en) Field emission tube for a mobile X-ray unit
SU1022236A1 (en) Soft x-radiation source
JP2750348B2 (en) X-ray of gas laser, especially for plasma X-ray tube for pre-ionization and application as electron gun
RU98633U1 (en) PULSE X-RAY GENERATOR
RU2654494C1 (en) Vacuum spark discharger
RU2284071C1 (en) X-ray pulse generator
RU2497224C2 (en) Gas-discharge switchboard
CA2011644A1 (en) Vacuum switch apparatus
JPH0687408B2 (en) Plasma X-ray generator
EA202190038A1 (en) A DEVICE FOR GENERATING A FILAMENTED AUXILIARY DISCHARGE FOR A DEVICE FOR GENERATING X-RAY AND CORPUSCULAR RADIATION, AND ALSO FOR A THERMONUCLEAR REACTOR WITH A DEVICE FOR GENERATING X-RAY AND CORPUSCULAR RADIATION
WO1999067806A1 (en) Radiation (e.g. x-ray pulse) generator mechanisms
Szasz et al. Critical parameters of the pumping scheme of Ar+ 8 Lasers Excited by Z Pinches in Long Capilaries
RU2306683C1 (en) Plasma electron source
RU2145748C1 (en) Flash tube
RU2297117C1 (en) Device for producing impulse roentgen and neutron radiation
RU2654493C1 (en) Vacuum arrester
RU26685U1 (en) PULSE X-RAY TUBE
SU819850A1 (en) X-ray pulse sorce
RU2759425C1 (en) Plasma emitter of a pulse forevacuum electron source based on an arc discharge
Drozd et al. High-voltage tacitron with cold-cathode and maximal current auto-limitation
RU209775U1 (en) Pulsed piezoelectric X-ray source
JP3734019B2 (en) Plasma X-ray tube

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20100412