RU2640404C2 - Микроминиатюрный рентгеновский излучатель - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к рентгеновской технике, в частности к миниатюрным маломощным рентгеновским излучателям, и может быть использовано для создания устройств экспрессной диагностики и локального воздействия в медицине, технике, быту. Излучатель выполнен как стеклянный баллон, состоящий из цилиндра с сечением любой подбираемой формы и двух стеклянных пластинок, приклеенных вакуумплотно легкоплавким стеклом к торцам цилиндра. В окно стенки цилиндра вклеен микроканальный элемент (МКЭ), к которому с внешней стороны герметично приклеена фольга легкого материала. Внутри баллона мишень-анод выполнена в виде подвешенной возле торца МКЭ мини-пластинки тугоплавкого материала или пленки электропроводящего подбираемого материала, нанесенного на скошенный к оси в направлении катода торец МКЭ. Катод выполнен как автоэмиссионный чип с пленочной микроструктурой. Управляющий электронный поток электрод выполнен в виде мелкоструктурной сетки, расположенной в непосредственной близости от катода. Технический результат - уменьшение габаритов устройства, применяющего заявленный излучатель, уменьшение потерь рентгеновского излучения; уменьшение электрических нагрузок на анод и катод и, как следствие, увеличение долговечности и стабильности работы прибора; расширение функциональных возможностей устройства за счет управления мощностью и частотой рентгеновского излучения в широких пределах. 2 ил.

Description

Изобретение относится к рентгеновской технике, в частности, к миниатюрным маломощным рентгеновским излучателям, и может быть использовано для создания устройств экспрессной диагностики и локального воздействия - в медицине, технике, быту.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Искусственные источники рентгеновского излучения (рентгеновские излучатели, далее - излучатель, прибор) состоят из вакуумного баллона (далее - баллон), имеющего окно для вывода излучения, термоэлектронного или автоэлектронного катода для эмиссии электронов (далее - катод), управляющего электрода для управления потоком электронов (далее - электрод), анода для торможения электронов и создания рентгеновского излучения, характерного для выбранного материала анода (далее - анод).

Известны и наиболее широко применяются варианты излучателей - рентгеновские трубки. Характерным для них являются большие габаритные размеры, большие уровни потоков и энергии рентгеновского излучения, большие потери потребляемой электроэнергии, почти полностью превращаемой в тепло. Рентгеновские трубки, как правило, применяются в стационарных громоздких хорошо защищенных рентгеновских аппаратах.

В последние годы активно развивается рынок компактной мобильной рентгеновской аппаратуры. В 2015 году почти половина рынка пришлась на стоматологические мини-аппараты. В связи с этими обстоятельствами важными задачами развития рентгеновской техники являются уменьшение габаритных размеров, потребляемой мощности и поражающих воздействий (вредности), повышение коэффициента полезного действия (КПД) рентгеновских излучателей.

Известно большое число вариантов конструкций миниатюрных рентгеновских трубок, например рентгеновская трубка с автокатодом (патент RU 2248643); рентгеновская трубка с взрывоэмиссионным катодом (патент RU №2308781); рентгеновская трубка с отражательной мишенью (патент RU 2237944); устройство для генерации мягкого рентгеновского излучения (патент RU 2193828); рентгеновский магнетронный излучатель (RU 2286615); рентгеновская трубка с изменением размера фокусного пятна (патент RU 2328790); острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка (патент RU 2479883); рентгеновские излучатели с СВЧ-резонатором (патент RU 2190282, патент RU 2286615).

Все эти варианты в основном решают задачу повышения КПД устройств. Все они рассчитаны на применение в стационарной защищенной аппаратуре. При этом не решается важная для практики задача комплексного уменьшения габаритных размеров, потребляемой мощности и поражающих воздействий таким образом, чтобы пользователь, например, мог взять излучатель в руки и воспользоваться им с максимумом для своих удобств - экспрессности контроля, локальности воздействий, быстрой и наглядной управляемости свойствами излучения и его воздействия.

По технической сути рассматриваемых устройств решение указанной задачи возможно на пути изменений конструкций элементов, способов возбуждения (благодаря управлению электронным потоком) и вывода рентгеновского излучения.

Описание и критика аналогов и прототипа

Известна миниатюрная (диаметр 12 мм, длина 24 мм) импульсная рентгеновская трубка [1], выбранная как аналог предлагаемому в заявке, содержащая металлический корпус с прострельной мишенью и окном для вывода рентгеновского излучения, катод и внутренний изолирующий элемент, отличающаяся тем, что мишень прострельного типа отделена от окна и крепится во внутренней полости трубки с помощью двух цилиндрических колец, соединенных с корпусом, так что величина зазора между мишенью и катодом выполнена в пределах соотношений от 1:20 до 1:5 к наружному диаметру катода, а изолирующий элемент выполнен в виде стеклянного кольца, имеющего зуб и паз.

Сущность изобретения аналога состоит в том, что миниатюрная импульсная рентгеновская трубка, работающая при импульсных напряжениях порядка 100 кВ длительностью 1,5⋅10^-10 с, сконструирована таким образом, что за счет выбранных соотношений между зазором катод-мишень и наружным диаметром катода достигается низкий импеданс трубки, обеспечивающий высокие амплитуды электронного тока в трубке (более 10 кА). Рентгеновская трубка работает в режиме короткого замыкания.

Аналог имеет ряд существенных недостатков: отсутствие управляемости режимом питания - высоковольтного короткого замыкания; большими потерями энергии электронного потока (на тепло) и рентгеновского излучения из-за того, что мишень отделена от окна и крепится во внутренней вакуумной полости трубки; больших потерь и тепловых помех за счет применения прямонакального катода.

Кроме этих недостатков можно отметить и другие, описанные при критике рассматриваемого патента в заявке на патент [2]:

«К недостаткам такой рентгеновской трубки следует отнести: низкий срок службы из-за плохого теплоотвода с анода и неэффективной работы газопоглотителя, малый угол раскрыва диаграммы направленности рентгеновского излучения, так как корпус рентгеновской трубки закрывает ее фокус, а окно удалено от мишени и имеет форму плоскости. Окно рентгеновской трубки выполнено из материала, обладающего свойствами газопоглотителя (титана). Однако в результате того, что окно отделено от мишени материалом с низкой теплопроводностью, температура окна недостаточна для обеспечения эффективного газопоглощения в процессе работы прибора. Этот недостаток ограничивает долговечность и ухудшает рентгенотехнические характеристики».

Таким образом, основными недостатками конструкции аналога являются: удаленность в расположении мишени и окна, неэкономичный катод, отсутствие элементов для управления параметрами рентгеновского излучения.

Эти недостатки преодолены в заявке на патент, выбранный здесь в качестве прототипа - патент РФ 2563879 [3].

Прототип представляет собой миниатюрный рентгеновский излучатель, содержащий вакуум-герметичный корпус с окном для вывода рентгеновского излучения, прострельную мишень, анод, катод, управляющий электрод между анодом и катодом, подводящие к аноду, катоду и управляющему электроду напряжение электрические выводы, газопоглотитель, отличающийся тем, что корпус выполнен как стеклянный баллон формы плоско-параллельной таблетки с сечением любой геометрической фигуры, состоящий из стеклянных тонкой (менее одного миллиметра) крышки-окна и толстой (более одного миллиметра) крышки, склеенных вакуум-плотно по краю (периметру) широкой (более двух миллиметров) полосой низкоплавкого свинцового стекла; мишень, анод и крышка-окно выполнены в единой конструкции - мишень и анод совмещены и выполнены в виде пленки переменной структуры; газопоглотитель и катод выполнены в единой конструкции на крышке - газопоглотитель выполнен как электропроводящее микропленочное покрытие под катодом, катод выполнен в виде порошкового покрытия автоэмиссионного материала газопоглотителя; управляющий электрод выполнен как две металлические сетки, анодная и катодная, с расположенной между ними микроканальной стеклопластиной, присоединенной механически и электрически к одной или обеим сеткам, которая может иметь на поверхности каналов нанотолщинное покрытие газопоглотителя.

Новизна прототипа, таким образом, заключается в использовании порошкового автоэмиттера, совмещенного с газопоглотителем в виде проводящей пленки; совмещения мишени, анода и окна; использования микроканальной пластины (МКП) в качестве управляющего электрода и газопоглотителя.

Прототип имеет следующие существенные недостатки.

1. Конструкция прототипа принципиально ориентирована только на прострельный тип мишени, что существенно ограничивает свойства и характеристики излучателя.

2. Совмещение газопоглотителя и автокатода в единой структуре практически невыполнимо по технологии ее изготовления.

3. Использование порошкового автоэмиттера проблематично технологически, материалы и структуры таких автоэмиттеров не известны и не используются.

4. Использование МКП в качестве управляющего электрода принципиально ограничивает диапазон величин тока электронов сверхмалыми значениями, либо при стремлении к их увеличению сводит на нет преимущества МКП.

5. Применение МКП принципиально ведет к уплощенной конструкции прибора, что создает ограничения, отдельные из которых указаны в предыдущих пунктах.

Задачей предлагаемого варианта явилось преодоление указанных недостатков при сохранении принципиальных решений, создающих излучателю преимущества - использование пленочного автоэмиттера и микроканальной структуры, совмещение элементов структуры.

Обоснование идеи и целей заявки

Указанные для аналога и прототипа недостатки устраняются в предлагаемом варианте данной заявки благодаря следующему комплексу элементов конструкции и способов управления ими:

- использованию автокатода в виде автоэмиссионного чипа - пленочной микроструктуры на стеклянной подложке;

- применению микроканальной структуры в виде микроканального элемента (МКЭ), выполняющего роли активного окна, коллиматора и газопоглотителя;

- созданию тонколистового или пленочного анода, расположенного в непосредственной близости от торца МКЭ, выполненного из тяжелого тугоплавкого металла;

- наличию возможности управления всеми составляющими режимов питания и параметрами рентгеновского излучения в широких пределах.

Идея заявки заключена в том, чтобы за счет оптимального варианта конструкции и управления свойствами ее элементов максимально снизить нагрузку по питанию всех элементов, уменьшить паразитные потери рентгеновского излучения, снизить до минимально необходимого уровня рабочее рентгеновское излучение, управляя им в широких пределах.

Эти цели достигаются следующим образом.

1. За счет использования автоэмиссионного катода в виде чипа, изготавливаемого и контролируемого по технологии микроэлектроники.

При этом используется оригинальное решение по структуре и материалам катода (вариант планарно-торцевого автоэмиттера), позволяющее снизить рабочее напряжение, токи эмиссии и, тем самым, решить хорошо известную проблему повышения стабильности и долговечности работы катода.

2. За счет использования микроканального элемента (МКЭ), выполняющего роли активного окна, коллиматора и газопоглотителя.

Это позволяет иметь очень тонкое окно для хорошего пропускания рентгеновского излучения в виде фольги, прикрепляемой к тонкоструктурному торцу МКЭ, устраняющему разрушающее воздействие атмосферного давления.

Коллимирование излучения уменьшает его потери и увеличивает разрешающую способность отображения рентгеновской картины.

Газопоглощение на большой площади поверхности микроканалов МКЭ позволяет не использовать специальные газопоглотители, активируемые при высоких температурах и требующие заметного объема для их размещения внутри прибора.

3. За счет подвешивания микроструктурного тугоплавкого анода в вакууме, допускающего его нагревание до высоких температур.

Это позволяет не использовать громоздкие радиаторы для отвода тепла от анода и, тем самым, значительно уменьшить объем прибора. Кроме того, на обратной (нерабочей) поверхности анодной пластины может быть размещен газопоглотитель на основе Ti или сплавов Zr, обеспечивающий при высокой температуре эффективное связывание газов остаточной атмосферы.

4. За счет расположения пленочного анода на торце МКЭ, что позволяет отводить тепло от анода через стенки микроканалов и его излучению с их большой поверхности.

Описание конструкции рентгеновского излучателя.

Схема конструкции в поперечном разрезе приведена на фиг. 1 и 2. Структура прибора включает:

1 - вакуумплотный стеклобаллон, состоящий из цилиндра 1 с сечением выбираемой формы (круг, овал, прямоугольник), плоских стекол-крышек - анодного 4 и катодного 9, приклеиваемых герметично по торцам цилиндра;

2 - микроканальный элемент (МКЭ), вклеиваемый герметично в окно стенки цилиндра 1 и герметично заглушенный с внешней стороны фольгой 3 из легкого материала;

5 - анод-мишень с электрическим выводом;

6 - управляющий электрод с электрическим выводом; 8 - катод-чип с электрическими выводами 7 и 10.

Вакуумплотный стеклобаллон 1, 4, 9 состоит из двух плоских стекол-крышек - анодного 4 и катодного 9, склеенных низкоплавким свинцовым стеклом с цилиндром 1. Толщины и материал стенки цилиндра и анодного и катодного стекол выбираются по конкретным обстоятельствам с учетом величин поглощения рентгеновского излучения и технологических параметров. Технологически детали склеиваются нанесением стеклопасты с последующей термообработкой.

Микроканальный элемент (МКЭ) 2 представляет собой стеклянную сотовую структуру, имеющую множество (10⁵-10⁶) микроканалов микронного диаметра (10-30 мкм), разделенных тончайшими стенками [4].

МКЭ представляется в двух вариантах - 1) прямого цилиндра и 2) цилиндра со скошенным к оси основанием с одной из сторон.

Главное свойство МКЭ - огромная величина площади поверхности микроканалов - до 1000 см² в объеме 1 см³. Эта поверхность в предлагаемом вакуумном приборе используется как сорбент остаточных газов при вакуумировании объема. При этом на поверхность может быть нанесен активный слой газопоглотителя, обеспечивающего большую газопоглощающую способность - порядка 10⁶ Па⋅л/м² [5]. Кроме того, в МКЭ будет значительное отведение тепла от анода ИК-излучением через большую поверхность микроканалов.

МКЭ в данном случае используется и как механический удерживатель сверхтонкого окна, которое должно быть прикреплено своим краем к стенке корпуса и выдержать большое давление атмосферного газа.

Важным используемым в заявке свойством МКЭ является способность коллимировать рентгеновское излучение. Проблема управления индикатрисой рентгеновского излучения - общеизвестна. Единственный известный способ в этом - микроканальные структуры [6].

Анод-мишень 5 представляется в двух вариантах - 1) в виде подвешенной минипластиночки и 2) в виде пленки на торце МКЭ.

Во втором варианте отведение тепла от анодной пленки осуществляется за счет теплопроводности по стенкам микроканалов и ИК-излучения с их поверхности большой площади.

В первом варианте отведение тепла от анода происходит за счет ИК-излучения по закону Стефана-Больцмана Р~T⁵, где Р и Т, соответственно, лучистая мощность и температура поверхности излучающего тела. Из известных данных по катодолюминесцентным дисплеям в термокатодах при лучистой мощности 2 Вт/см², проволока катода нагревается до ~550°С (~820°K). Это означает, для рассматриваемого здесь случая, минипластинка анода, например, площадью 1 см² нагреется до этой температуры при выделяемой в ней мощности 2 Вт. При увеличении мощности, например, в 2 раза температура увеличится в (2)^1/5=1,15 раза, то есть в данном примере - до ~680°С (~960°K).

Управляющий электрод 6 представляет собой мелкоструктурную металлическую сетку, прикрепленную стеклоцементом вблизи катода на катодное основание. Технология приготовления и монтажа сетки отработана в производстве катодолюминесцентных дисплеев, технологическую линию которого имеет предприятие-заявитель.

Катод-чип 8 с электрическими выводами 7 и 10 выполнен в виде пленочной микроструктуры на стеклянной пластинке. Электрические выводы - провод или плющенка из металла, согласованного по КТР со стеклом.

Предполагаемая для использования эмиссионная планарно-торцевая микроструктура защищена патентом [7]. Проблема обеспечения стабильности и долговечности работы автокатодов является общеизвестной и до сих пор не решенной до конца [8]. Как показано авторами этих работ, планарно-торцевая микроструктура менее всего подвержена деградации. С учетом того, что в предлагаемом здесь варианте величины тока эмиссии будут относительно малыми (примерно в 10 раз меньше, чем для дисплейных применений), есть уверенность в том, что предлагаемый вариант автокатода будет реально использован.

Описание принципа действия и преимуществ излучателя

Заявляемый рентгеновский излучатель работает следующим образом.

При подаче напряжений между электродами 6, 7, 10 происходит эмиссия электронов из катода 8 и управление их потоком электродом 6.

Пролетающие через сетку-электрод 6 электроны разгоняются полем анода 5 и попадают на него, где они тормозятся материалом анода и излучают рентгеновские кванты.

Рентгеновское излучение анода происходит во всех направлениях неравномерно, но более направленно - в сторону МКЭ. Эта часть излучения проникает через МКЭ 2 и окно 3 наружу прибора.

Окно 3 сделано из тонкого легкого прочного материала (бериллий, алюминий), который хорошо пропускает рентгеновское излучение.

Баллон 1, 4, 9 обеспечивает вакуумную герметичность рабочего объема, защиту от неиспользуемого рентгеновского излучения и от электрического воздействия на пользователя.

МКЭ 2 как газопоглотитель обеспечивает необходимое состояние вакуума в рабочем объеме. Кроме того, может быть использован дополнительный газопоглотитель, нанесенный в виде нанопленки на поверхность микрокапилляров, имеющих относительно (к площади сечения МКП) большую площадь покрытия.

Автоэмиссионный катод 8 благодаря плоской конструкции и управлению нагрузкой обеспечивает малую величину удельной нагрузки, относительно малые значения напряжения и малые значения потребляемой мощности, что обеспечивает его высокую стабильность, долговечность и надежность в работе. Кроме того, применение такого катода позволяет иметь короткоимпульсный режим работы, в отличие, например, от обычных термокатодов.

Анод 5 в виде пластинки или пленки относительно большой площади позволяет иметь разные вариации свойств излучения и их управляемости по мощности, длине волны, расходимости. Кроме того, такая структура позволяет иметь в широких пределах величины удельной электрической и тепловой нагрузки, а значит, управлять долговечностью работы прибора, и длиной волны излучения с ее изменениями в одном приборе, что повышает его функциональные возможности.

Управляющий электрод-сетка 6 позволяет управлять величиной электронного потока в широких пределах, в том числе и независимо от напряжений на аноде и катоде.

Излучатель работает как вакуумный четырехэлектродный прибор. Он работоспособен и как трехэлектродный прибор - сетка-электрод может быть отключена. Варианты подключения электродов и режимы питания определяются из конкретных условий применений материалов и режимов работы элементов прибора.

Важным параметром для работы высоковольтных вакуумных приборов, к которым относится заявленный излучатель, является электрическая прочность вакуумного промежутка и шунтирующих поверхностей элементов. Она определяет самый важный параметр в работе рентгеновских излучателей - рабочее напряжение на аноде. От этого зависит выбор величины зазора между мишенью-анодом и управляющим электродом.

Электрическая прочность вакуумного промежутка с необработанными электродами составляет порядка 10⁴ В/см. Промежутки с электродами, прошедшими механическую, химическую или электрическую обработки, показывают прочность до 10⁶ В/см [9]. Для случая заявленного варианта, который должен изготавливаться в условиях гигиены электронного производства, можно принять значение по минимуму с высокой степенью гарантии - 10⁵ В/см. Это означает, что предлагаемый излучатель будет работоспособен при напряжениях U_A до 100 кВ при расстояниях между анодом и управляющим электродом порядка 1 см, что является вполне приемлемым для приборов рассматриваемого класса.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛНЕНИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЙ

Важным в работе рассматриваемого варианта рентгеновского излучателя является его высокая аппаратурная адаптация благодаря его миниатюрности. Он может быть легко корпусирован пластмассой и стыкован с объектом исследования.

Конструкция излучателя допускает возможность настройки его свойств под конкретные условия применения за счет управления длиной волны рентгеновского излучения. Одним из наиболее распространенных на практике является метод получения контраста изображения просвечиваемого объекта за счет использования зависимости коэффициента поглощения материала объекта от длины волны рентгеновского излучения. Для подбора свойств излучения достаточно изменять материалы и геометрическую структуру анода, напряжение на аноде.

Для демонстрации этого можно рассмотреть конкретный пример варианта, приближенного к реальным условиям применения. Таким вариантом выбран прибор, оптимальный по своим свойствам для применений в медицине.

В последнее время все большее распространение в медицинской практике получают методы и аппаратура, основанные на преобразовании рентгеновского изображения в видимое с последующим его либо наблюдением пользователем, либо фотоэлектронным преобразованием в цифровой видеокамере. При этом применяются методы и аппаратура топографирования, что, в частности, позволяет иметь маловредные для пациента условия. При этом оптимальным является миниатюрный рентгеновский излучатель с коллимированным пучком излучения.

Пусть для определенности размер площади сечения пучка для облучения объекта 1 см². Обычно в рентгеновской трубке рентгеновский поток формируется на мишени электронным потоком реальной мощностью не более 100 Вт. Рентгеновский поток приходится на реальную площадь исследуемого объекта не более 0,1 м². Делая перерасчет на плотность излучения, можно получить, что потребляемая анодом рассматриваемого варианта (площадь анода примерно 1 см²) мощность в один ватт достаточна с большим запасом.

Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 кэВ, что соответствует излучению с длиной волны, соответственно, от 10 до 0,005 нм. Длина волны (нм) и энергия фотонов (эВ) характеристического рентгеновского излучения (поглощения) для ряда интересных в рассматриваемом случае атомов: С¹² - 3,8 нм/260 эВ; О¹⁶ - 2,4/400; AL²⁶ - 0,9/1100; Са⁴⁰ - 0,5/2000; Cu⁶⁴ - 0,15/7000. Для уверенного рентгеновского излучения анодами из этих материалов требуются энергии электронов не менее: С¹² - 1 кВ; AL²⁶ - 3 кВ; Са⁴⁰ - 6 кВ; Cu⁶⁴ - 20 кВ.

С точки зрения рентгеновского поглощения основные атомы живых организмов - углерод С¹², кислород О¹⁶, кальций Са⁴⁰. Углерод и кислород - легкие атомы, пропускающие излучение с длинами волн, более или менее характеристической. Поэтому желательно использовать в качестве источников аноды из углерода. Ткани пациента будут хорошо пропускать это излучение, а кости - нет. Для анализа костей желательно использовать источники с анодом из титана, самого близкого к кальцию по атомному номеру. Для анализа тканей и костей вместе можно использовать аноды из алюминия, расположенного в ряду элементов между углеродом и кальцием. В конструкции предлагаемого излучателя возможно изготовление анодов из смесей этих материалов.

Напряжение на аноде в рассматриваемом случае будет порядка 15 кВ. Для обеспечения мощности электронного потока порядка 1 Вт необходимо будет иметь ток порядка 0,1 мА. По плотности этот ток - не более 10 мкА/см². Это очень низкая нагрузка для катода [8].

Разработки, производство и продажи компактной мобильной рентгеновской аппаратуры - важное активно развивающееся направление. К настоящему времени этим занимается достаточно большое число фирм, среди которых можно привести некоторые:

- ITALRAY (Италия).

http://vitams.ru/catalog/rentgenologiya/.

Продажи - «Миниатюрный рентгеновский аппарат "Модуль-50"» в компании АВМ-СИСТЕМС (Москва),

http://www.bnti.ru/des.asp?itm= 1402&tbl.

- EcoRay Co., Ltd. (Корея). Ecoray 1040HF - рентген аппарат палатный переносной (портативный). Ecoray 1060HF - переносной цифровой ветеринарный рентген-аппарат.

http://www.tiaramed.ru/Peredvizhnye-i-palatnye-apparaty/1040HF-perenosnoyi-rentgen.html.

- ООО "Вектор НК", Екатеринбург, Челябинск. Переносные рентгеновские аппараты серии SMART -. http://nk-industry.ru/produktsiya-i-uslugi/rgk/device/smart.

В аппаратах этих фирм, так же как и в основной широко известной рентгеновской аппаратуре, применены стандартизованные острофокусные рентгеновские трубки малого и среднего уровня излучаемой мощности с фокусировкой электронного луча до размеров (на поверхности мишени) порядка 0,1-1 мм. Величины ускоряющего напряжения и тока в электронном сфокусированном луче, соответственно, 10-100 кВ и 1-100 мА. Обычно используемые варианты материала мишени - тяжелые металлы - W, Mo, Cu, Ag. Используются мишени как отражательного, так и прострельного типов.

Использование острофокусных рентгеновских трубок создает известные трудности для аппаратуры, которую компактной, мобильной и надежной можно считать лишь условно (габариты - до метра, вес - более 5 кг, реальная долговечность трубки - не более 1000 часов).

Цель данной заявки - создать вариант, который позволит иметь аппарат «карманного» типа, весом не более нескольких сот грамм. При этом он должен позволять брать его в руки оператора и производить свободные манипуляции по его усмотрению. Для этого излучатель должен иметь ряд обязательных свойств, которые и ожидаются от использования данной заявки:

- вес - не более 300 грамм,

- питание - автономное, от батарейки внутри устройства;

- максимально низкая потребляемая мощность - не более 2 Вт,

- не разрушаемая мишень (долговечность - более 10000 часов),

- ничтожная мощность потребления катодом,

- управляемость рентгеновским излучением в широком диапазоне свойств - энергия потока, угол расходимости, длина волны, характер излучения (мягкое, жесткое), расположение в пространстве, наглядность воздействия,

- широкий диапазон режимов питания - непрерывный, импульсный с большим диапазоном по скважности,

- абсолютная защищенность оператора от излучений и высокого напряжения.

Заявленный миниатюрный рентгеновский излучатель предназначен для использования в портативной аппаратуре с полуавтоматическим или ручным управлением. При использовании микрооптики, напрямую стыкованной с ним, он способен заменить многие типы существующих рентгеновских трубок. При этом будут обеспечены преимущества по габаритам, энергопотреблению, расширению пределов длительности импульсов питания, пределам управляемости параметрами излучения, стабильности и долговечности работы.

Применение заявленного излучателя позволит создать новое направление применений рентгеновской аппаратуры - экспрессный контроль различного рода дефектов и легко управляемое локализованное воздействие на объект в любых условиях применений, в том числе и в быту.

Для примера можно привести следующее. Пользователь берет в руки миниатюрную рентгеновскую головку, как фонарик, приставляет его к объекту с одной его стороны, прикладывает пластинку-визуализатор с другой, включает портативный аппарат питания и на пластинке визуально наблюдает картину состояния объекта. При этом движениями головки он добивается понятной картины этого состояния. В другом примере врач наводит через тонкую люминесцирующую пленку излучение локально на определенное место и дает дозу излучения. При этом по «расплывчатости» картинки он видит степень локализации излучения в трех координатах и управляет им в нужное место, под нужным углом и т.д.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Миниатюрная импульсная рентгеновская трубка. Патент РФ №2160480. Классы патента: H01J 35/00, H01J 35/02, H05G 1/02. Номер заявки: 99116887/09. Дата подачи заявки: 02.08.1999. Дата публикации: 10.12.2000. Заявители (патентообладатели): Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии. Авторы: Лойко Т.В.; Макеев Н.Г.; Павловская Н.Г.; Тресков СМ.; Юткин М.П.

2. Импульсная рентгеновская трубка. Патент РФ №2459307. Класс патента H01J 35/00. Дата подачи заявки: 07.06.2011. Начало действия патента: 07.06.2011. Дата публикация патента: 20.08.2012. Заявитель (патентообладатель): Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма" (RU). Авторы: Меркулов Б.П., Самородов В.Г.

3. Патент РФ 2563879 «МИНИАТЮРНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ». Приоритет - 12 марта 2014 г. Автор и патентообладатель - Жуков Н.Д.

4. http://www.ru.all.biz/mikrokanalnye-plastiny-bgg.

5. http://www.ntsr.info/science/library/2944.htm.

6. Романов А.Ю. Исследование моно- и поликапиллярных рентгеновских микропучков // Материалы симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника». - Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2006. - С. 40-43.

7. Патент РФ 2524207. «Узел электровакуумного прибора с автоэмиссионным катодом». Приоритет изобретения - 28.11.2012. Авторы: Абаньшин Н.П., Горфинкель Б.И., Морев С.П., Якунин А.Н. Патентообладатели: Абаньшин Н.П., Горфинкель Б.И., Якунин А.Н.

8. Абаньшин Н.П., Горфинкель Б.И., Якунин А.Н. Исследование механизма ионного нагружения острийных эмиттеров автоэмиссионных структур // Письма в ЖТФ. 2006, т. 32, В. 20, с. 52-59.

9. Сливков И.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме, М., 1986.

Claims (1)

1. Микроминиатюрный рентгеновский излучатель, содержащий: вакуум-герметичный стеклянный корпус в виде цилиндра, имеющего в сечении геометрическую фигуру в форме круга, или овала, или прямоугольника, с расположенными внутри вблизи его оснований-торцов катодом для эмиссии электронов и анодом-мишенью для соударения с электронами и, за счет этого, генерации рентгеновского излучения, с приклеенными к нему по основаниям-торцам стеклянными пластинками со стороны катода (катодной) и со стороны анода (анодной), с окном в боковой поверхности цилиндра для вывода рентгеновского излучения; микроканальную структуру для управления свойствами и газопоглощением; управляющий электрод вблизи катода; подводящие напряжение к аноду, катоду и управляющему электроду электрические выводы, отличающийся тем, что катод выполнен в виде чипа - пленочной микроструктуры на катодной пластинке; микроканальная структура выполнена как микроканальный элемент, вклеенный в окно, в форме прямого цилиндра или цилиндра со скошенным к оси основанием с внутренней стороны корпуса, с приклеенной вакуум-плотно к его торцу с внешней стороны корпуса фольгой из легкого материала; анод выполнен в виде минипластиночки из тяжелого тугоплавкого металла, подвешенной у торца микроканального элемента навстречу в направлении катода на проволочном держателе, приклеенном к стенке корпуса, или прикрепленной вплотную на скошенном торце микроканального элемента.

Images