RU2676672C1 - X-ray acute-focus radiator with rod anode - Google Patents

X-ray acute-focus radiator with rod anode Download PDF

Info

Publication number
RU2676672C1
RU2676672C1 RU2018110215A RU2018110215A RU2676672C1 RU 2676672 C1 RU2676672 C1 RU 2676672C1 RU 2018110215 A RU2018110215 A RU 2018110215A RU 2018110215 A RU2018110215 A RU 2018110215A RU 2676672 C1 RU2676672 C1 RU 2676672C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
cathode
heat sink
cone
ray
Prior art date
Application number
RU2018110215A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Дмитриевич Жуков
Александр Анатольевич Хазанов
Денис Сергеевич Мосияш
Ильдар Тагирович Ягудин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Реф-Свет"
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 Общество с ограниченной ответственностью "Реф-Свет" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Реф-Свет"
Priority to RU2018110215A priority Critical patent/RU2676672C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2676672C1 publication Critical patent/RU2676672C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00X-ray tubes

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to miniature x-ray emitters. X-ray acute-focus radiator with a rod anode has a cylindrical vacuum cylinder made of heat-resistant glass with a window for outputting radiation. Field radiating cathode is made of tungsten wire filaments with a diameter of 20–25 microns with nanopowder of narrow-band semiconductor deposited on its surface AB(InAs, InSb, GaSb) and installed on the inside of cover 1 in the form of four intersecting filaments located in a plane parallel to the cover, separated from it at a distance of 1–3 mm, and forming a cathode square. Anode is made of a tungsten rod-cone with an angle of 15–25°, 2–3 mm high, the base is attached to the heat sink, and the apex is directed to the center of the window and passes through the center of the cathode square by about 2/3 of its height; the distance between the cathode filaments and the anode-cone is 2–3 mm. Heat sink is made of copper in the form of a truncated cone with selectable dimensions: height H, radii of bases from the side of the attached anode, smaller – r, larger – r.EFFECT: technical result is stable operation during operation, an increase in the specific power dissipation, an increase in the resolution for cases of compact performance of devices.1 cl, 2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к рентгеновской технике, в частности, к миниатюрным рентгеновским излучателям, и может быть использовано для создания компактных устройств для локального местного контроля - в медицине, технике, системах досмотра, быту.The invention relates to x-ray technology, in particular, to miniature x-ray emitters, and can be used to create compact devices for local local control - in medicine, technology, inspection systems, everyday life.

Аналоги и прототип.Analogs and prototype.

В рентгеновских трубках, применяемых для контроля и измерений высокого пространственного разрешения, для получения супермалых размеров электронного пятна на аноде (острого фокусного пятна) используются управляющие электродные системы - электронные пушки. Общими недостатками этих вариантов являются сложность конструкции и большие габариты, гигантские значения плотности энергии на поверхности анода, резко снижающие эффективность теплоотвода и надежность работы анода.In X-ray tubes used to control and measure high spatial resolution, control electrode systems — electron guns — are used to obtain the smallest sizes of the electron spot on the anode (sharp focal spot). Common disadvantages of these options are design complexity and large dimensions, gigantic values of the energy density on the surface of the anode, which sharply reduce the efficiency of heat removal and the reliability of the anode.

Известны «беспушечные» варианты конструкций миниатюрных рентгеновских излучателей, например: острофокусная двухэлектродная импульсная рентгеновская трубка со стержневым заостренным анодом (патент RU 2479883); импульсные рентгеновские трубки с острофокусным анодом и кольцевым катодом (патенты RU 2521433, 2521436, 2524351); рентгеновская трубка с кольцевым катодом и острофокусным анодом (патенты RU 2479883); рентгеновская трубка с анодом в виде заостренного стержня и кольцевым катодным узлом (патент RU 2328790); рентгеновская трубка с микроканальной пластиной в качестве источника электронов и локально модулируемым излучением (патент RU 2507627); миниатюрный рентгеновский излучатель с микроканальным элементом и управляемым катодом (патент RU 2563879).Known are “gunless” designs of miniature X-ray emitters, for example: a sharp-focus two-electrode pulsed X-ray tube with a pointed rod anode (patent RU 2479883); pulsed x-ray tubes with a sharp focus anode and a ring cathode (patents RU 2521433, 2521436, 2524351); X-ray tube with a ring cathode and a sharp focus anode (patents RU 2479883); an x-ray tube with an anode in the form of a pointed rod and an annular cathode assembly (patent RU 2328790); an x-ray tube with a microchannel plate as an electron source and locally modulated radiation (patent RU 2507627); miniature x-ray emitter with a microchannel element and a controlled cathode (patent RU 2563879).

Основным решением для этих вариантов является использование стержневого заостренного анода и вокруг него кольцевого катода, создающего круговой поток электронов, с отверстием для прохождения рентгеновского излучения. Их общими недостатками являются малоэффективный отвод тепла от анодного острия и большое расстояние от анода до катода (и, соответственно, окна), необходимое для обеспечения максимальной остроты (минимальной площади) засева анода электронами.The main solution for these options is the use of a rod pointed anode and around it an annular cathode, creating a circular flow of electrons, with an opening for the passage of x-ray radiation. Their common drawbacks are ineffective heat removal from the anode tip and the large distance from the anode to the cathode (and, accordingly, the window), which is necessary to ensure maximum sharpness (minimum area) of electron anode seeding.

Из перечисленных вариантов-аналогов наиболее близким по структуре к заявляемому (прототипом) является импульсная рентгеновская трубка [1], содержащая вольфрамовый плоский катод с взрывной эмиссией, имеющий осесимметричное отверстие (окно) относительно анода, выполненного из танталового стержня с заостренной вершиной в виде конуса с углом не более 60°, расположенной ниже плоскости расположения катода на расстоянии не более 2 мм. Стержневой анод закреплен на держателе, прикрепленном через стержень, присоединенный к основанию корпуса.Of the listed analog options, the closest in structure to the claimed (prototype) is a pulsed X-ray tube [1] containing a tungsten flat cathode with explosive emission, having an axisymmetric hole (window) relative to the anode made of a tantalum rod with a pointed apex in the form of a cone with angle not more than 60 °, located below the plane of the cathode at a distance of not more than 2 mm. The rod anode is mounted on a holder attached through a rod attached to the base of the housing.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

Амплитудная и пространственная нестабильность рентгеновского излучения, обусловленная большой нестабильностью тока электронов взрывной эмиссии с металлического катода и образованием одного центра эмиссии, место положения которого мигрирует от выстрела к выстрелу.Amplitude and spatial instability of x-ray radiation due to the large instability of the electron current of explosive emission from the metal cathode and the formation of one emission center, the position of which migrates from shot to shot.

- Использование взрывного эмиссионного катода приводит к необходимости защищать элементы внутри трубки от действий неизбежно распыляемого металла катода, что значительно усложняет конструкцию и увеличивает габариты трубки. Кроме того, снижается надежность и долговечность работы, ограничиваются режимы питания импульсным вариантом.- The use of an explosive emission cathode leads to the need to protect the elements inside the tube from the actions of the inevitably atomized cathode metal, which greatly complicates the design and increases the dimensions of the tube. In addition, the reliability and durability of the operation are reduced, and the power modes of the pulsed version are limited.

Стержневой заостренный анод и использованный вариант его расположения относительно катода не позволяют получить фокусное пятно диаметром менее 0.6 мм.The rod pointed anode and the used version of its location relative to the cathode do not allow to obtain a focal spot with a diameter of less than 0.6 mm.

- Расположение анода относительно катода с минимально возможным углом к оси трубки, необходимое для уменьшения размера электронного пятна на конической поверхности анода, приводит к значительному отклонению оси конуса рентгеновского излучения от оси трубки и, соответственно, к уменьшению мощности излучения на исследуемом объекте.- The location of the anode relative to the cathode with the minimum possible angle to the axis of the tube, necessary to reduce the size of the electron spot on the conical surface of the anode, leads to a significant deviation of the axis of the cone of x-ray radiation from the axis of the tube and, consequently, to a decrease in the radiation power at the object under study.

- Большое расстояние от острия анода до объекта - не менее 10 мм, что снижает эффективность использования рентгеновского излучения.- A large distance from the tip of the anode to the object is at least 10 mm, which reduces the efficiency of using x-ray radiation.

- Малоэффективный теплоотвод в виде стержня с большими отношением длинны к диаметру и тепловым сопротивлением, определяемыми цилиндрической конструкцией трубки.- A low-efficiency heat sink in the form of a rod with a large ratio of length to diameter and thermal resistance, determined by the cylindrical design of the tube.

Описание конструкции и действия излучателя.Description of the design and operation of the emitter.

Указанные недостатки аналогов и прототипа в определенной мере устраняются в заявленном варианте благодаря использованию автоэмиссионного катода (автокатод) в виде отрезка проволоки супермалого диаметра, анода в виде игольчатого стержня из термостойкого металла, соединенного прочно с конусным радиатором с малым тепловым сопротивлением, который через фольгу должен быть соединен свободно с радиатором устройства применения.These drawbacks of analogues and prototype are to some extent eliminated in the claimed embodiment due to the use of a field emission cathode (autocathode) in the form of a piece of wire of super small diameter, an anode in the form of a needle rod of heat-resistant metal, connected firmly to a conical radiator with low thermal resistance, which should be through the foil connected loosely to the radiator of the application device.

Заявленный излучатель выглядит следующим образом - фиг. 1, а и в. Фиг. 1, в - вид снизу в разрезе А-А.The claimed emitter is as follows - FIG. 1, a and c. FIG. 1, c is a bottom view in section AA.

1 - вывод катодный,1 - output cathode,

2 - держатель катода,2 - cathode holder,

3 - катод,3 - cathode,

4 - анод,4 - anode,

5 - окно-фольга,5 - window-foil,

6 - подпорка,6 - backup

7 - крышка катодная,7 - cathode cover,

8 - корпус-цилиндр,8 - cylinder body,

9 - теплоотвод,9 - heat sink,

10 - пружинный держатель,10 - spring holder

11 - стеклоцемент,11 - glass cement,

12 - крышка анодная,12 - anode cover,

13 - вывод анодный,13 - output anode,

14 - пластинка,14 - plate

15 - МКЭ-газопоглотель.15 - FEM-getter.

Заявленный излучатель действует следующим образом.The claimed emitter operates as follows.

При подаче высоковольтного напряжения между автокатодом 3 и анодом 4, на электроды 1 и 13, происходит автоэмиссия из отрезков четырех проволочных катодов 3, концы которых укреплены на пружинных держателях 2, присоединенных стеклоцементом к катодной крышке 7. Электроны эмиссии бомбордируют боковую поверхность анода 4, создавая тормозное рентгеновское излучение через окно-фольгу 5, прикрепленную к подпорке 6 на катодной крышке 7 корпуса-цилиндра 8. Стержневой анод 4 прочно присоединен к конусовидному теплоотводу 9, удерживаемому тремя пружинными держателями 10, присоединенными стеклоцементом 11 к анодной крышке 12. Конусовидный теплоотвод 9 присоединен свободно к пластинке 14, присоединенной вакуумноплотно к анодной крышке 12, через которую излучатель должен быть установлен через теплопроводящий клеевой вязкий слой к радиатору устройства применения. Поддержание вакуума внутри излучателя обеспечивается микроканальным элементом (МКЭ) 15.When a high-voltage voltage is applied between the autocathode 3 and the anode 4, to the electrodes 1 and 13, there is auto-emission from segments of four wire cathodes 3, the ends of which are mounted on spring holders 2 attached by glass-cement to the cathode cover 7. Emission electrons bombard the side surface of the anode 4, creating X-ray radiation through a window-foil 5 attached to a support 6 on the cathode cover 7 of the cylinder body 8. The rod anode 4 is firmly attached to the cone-shaped heat sink 9, held by three spring holders 10, 11 connected to the anode fiberglass cover 12. Tapered heat sink 9 is attached to the plate 14 freely, connected vacuum-tight to the anode cap 12, through which the emitter must be installed through the heat conductive adhesive layer to the radiator viscous application of the device. Maintaining a vacuum inside the emitter is provided by a microchannel element (FEM) 15.

Определение свойств элементов конструкции.Determination of properties of structural elements.

Рентгеновские излучатели состоят из вакуумного баллона, имеющего окно для вывода излучения, термоэмиссионного или автоэлектронного катода, электродной структуры управления потоком электронов из катода (пушка); анода для торможения электронов и создания рентгеновского излучения; элемента поддержания вакуума в баллоне (газопоглотитель); радиатора для отвода тепла; защитного кожуха.X-ray emitters consist of a vacuum cylinder having a window for outputting radiation, a thermionic or field-emission cathode, an electrode structure for controlling the flow of electrons from the cathode (gun); anode for braking electrons and creating x-rays; element of maintaining a vacuum in the cylinder (getter); heat sink; protective cover.

Спецификой конструкции миниатюрного рентгеновского излучателя является отсутствие в них пушки. В случае, когда катод является точечным и расположен максимально близко к аноду, роль пушки практически сводится к нулю. Роль защитного кожуха исполняет корпус устройства применения.A specific design of the miniature X-ray emitter is the absence of a gun in them. In the case when the cathode is point-like and located as close to the anode as possible, the role of the gun is practically reduced to zero. The role of the protective casing is performed by the housing of the application device.

Катод. Анод.Cathode. Anode.

Определяющими параметрами при использовании автокатода являются форма, размеры, расположение катода и анода. Они задаются с учетом эмиссионной способности, зависящей от материала [2]. Величины поля для автоэмиссии в случаях эмиттера - металла должны быть порядка 107 В/мм. При использовании в качестве материала эмиттера наночастиц узкозонных полупроводников А3В5 (InSb, InAs, GaSb) необходимые для эмиссии величины поля могут быть снижены на порядок [3].The determining parameters when using an autocathode are the shape, dimensions, location of the cathode and anode. They are specified taking into account the emission ability, depending on the material [2]. The field values for field emission in cases of an emitter-metal should be of the order of 10 7 V / mm. When narrow-band A 3 B 5 semiconductors (InSb, InAs, GaSb) nanoparticles (InSb, InAs, GaSb) are used as the emitter material, the field values necessary for emission can be reduced by an order of magnitude [3].

Катод представляет собой четыре вольфрамовые проволоки, расположенные перекрестным образом (фиг.1, в) так, что обрамляют анод квадратом с четырех сторон. Диаметр проволоки выбирается минимальным, но с учетом его технологичности и необходимой прочности в условиях эксплуатации в приборе. Исходя из опыта заявителя данной заявки на изобретение, выбрана вольфрамовая проволока диаметром 20-25 мкм.The cathode consists of four tungsten wires located in a cross manner (Fig. 1, c) so that they frame the anode with a square on four sides. The diameter of the wire is chosen to be minimal, but taking into account its manufacturability and the necessary strength under operating conditions in the device. Based on the experience of the applicant of this application for an invention, a tungsten wire with a diameter of 20-25 microns was selected.

Анод представляет собой стержень-конус. Для уменьшения размера фокусного пятна необходимо, чтобы размеры анода были минимальны, а для увеличения напряжения и мощности - максимальны. Компромисс устанавливается путем определения допустимых размеров и материала анода.The anode is a rod-cone. To reduce the size of the focal spot, it is necessary that the dimensions of the anode are minimal, and to increase the voltage and power - maximum. A compromise is established by determining the acceptable dimensions and material of the anode.

Важным параметром для определения оптимума является угол при вершине конуса-анода, который определяется с учетом получения наибольшего выхода рентгеновского излучения при заданном размере фокусного пятна.An important parameter for determining the optimum is the angle at the apex of the anode cone, which is determined taking into account the highest yield of x-ray radiation for a given size of the focal spot.

При тормозном рентгеновском излучении его направление есть вектор (вектор Умова), перпендикулярный векторам изменения скорости (вектор торможения) и изменения напряженности магнитного поля, которые, в свою очередь, перпендикулярны между собой. Направление вектора Умова определяет индикатрису излучения и зависит от параметров поля между катодом и анодом, глубины и направления проникновения электронов в материал анода. Ось индикатрисы рентгеновского излучения лежит в плоскости, перпендикулярной линии движения электрона, и хаотически разнонаправлена в пределах 360° [4].In the case of bremsstrahlung x-rays, its direction is a vector (Umov vector) perpendicular to the vectors of change in speed (braking vector) and changes in magnetic field strength, which, in turn, are perpendicular to each other. The direction of the Umov vector determines the indicatrix of radiation and depends on the field parameters between the cathode and the anode, the depth and direction of electron penetration into the anode material. The axis of the x-ray indicatrix lies in a plane perpendicular to the line of electron motion and is randomly oppositely directed within 360 ° [4].

Угол направленности излучения дополнительно размывается, когда электроны, вылетая из катода, могут иметь хаотически направленные векторы скорости. Этому способствуют «горячие» катод и среда на пути электронов. В этой связи автоэмиссионный катод является предпочтительным по сравнению с термическим, плазменным, с взрывной эмиссией.The radiation directivity angle is further blurred when electrons flying out of the cathode can have randomly directed velocity vectors. This is facilitated by the "hot" cathode and the medium in the path of the electrons. In this regard, the field emission cathode is preferable in comparison with thermal, plasma, and explosive emission.

Торможение электронов происходит в приповерхностных слоях металла анода. Излучение происходит на некоторой глубине и выходит под некоторыми углами к поверхности анода. С учетом распределения (размытия) величин этих углов определяется угол при вершине конуса-анода. Чем меньше глубина проникновения электронов в материал, тем может быть острее угол конуса. Исходя из этого, материал анода необходимо выбирать максимально тяжелый. При этом он должен иметь максимально высокое значение температуры плавления и устойчивые характеристики при сильном нагреве. Всем этим свойствам наиболее соответствуют вольфрам и тантал, из которых предпочтительнее вольфрам как наиболее применяемый на практике металл. Глубина проникновения электронов в вольфрам не превышает одного микрона (http://www.ngpedia.ru/id644445p2.html), что в нашем случае означает отсутствие влияния приповерхностной толщины поглощения на углы излучения и конуса. Угол при вершине конуса тогда задается с учетом величины проекции его боковой поверхности на плоскость окна, определяющей размер фокусного пятна, и разумного выбора размеров анода из соображений получения максимальной рассеиваемой мощности. Кроме того, для обеспечения величины форм-фактора при автоэмиссии хотя бы на уровне 100 необходимо выполнить соотношение h=z:dk=100:1, где h - высота конуса-анода, z - расстояние от катода до анода, dk - диаметр проволоки-катода. При выбранном варианте dk=(20-25) мкм h=z=(2-3) мм, угол заострения стержня-анода - (15-25)°.Electron deceleration occurs in the surface layers of the anode metal. Radiation occurs at a certain depth and leaves at certain angles to the surface of the anode. Taking into account the distribution (blurring) of the values of these angles, the angle at the apex of the anode cone is determined. The shorter the electron penetration depth into the material, the sharper the cone angle. Based on this, the anode material must be selected as heavy as possible. Moreover, it should have the highest possible melting point and stable characteristics with strong heating. All of these properties are most consistent with tungsten and tantalum, of which tungsten is preferred as the most widely used metal in practice. The penetration depth of electrons into tungsten does not exceed one micron (http://www.ngpedia.ru/id644445p2.html), which in our case means that there is no influence of the near-surface absorption thickness on the radiation and cone angles. The angle at the apex of the cone is then set taking into account the projection of its lateral surface onto the plane of the window, which determines the size of the focal spot, and a reasonable choice of the size of the anode for reasons of obtaining maximum power dissipation. In addition, to ensure the value of the form factor during field emission at least at the level of 100, it is necessary to fulfill the relation h = z: d k = 100: 1, where h is the height of the anode cone, z is the distance from the cathode to the anode, d k is the diameter cathode wire. With the chosen option, d k = (20-25) μm h = z = (2-3) mm, the angle of sharpening of the rod-anode is (15-25) °.

Таким образом, по условиям предложенного варианта, катодом выбрана вольфрамовая проволока диаметром 20-25 мкм, покрытая наночастицами узкозонного полупроводника А3В5 (InSb, InAs, GaAs), а анодом - вольфрамовый заостренный стержень длиной (2-3) мм и углом заострения (15-25)°. Расстояние между нитями катода и стержнем анода - ~(2-3) мм.Thus, according to the conditions of the proposed option, a tungsten wire with a diameter of 20–25 μm coated with nanoparticles of a narrow-gap semiconductor A 3 B 5 (InSb, InAs, GaAs) is selected as the cathode, and a tungsten pointed rod with a length of (2-3) mm and an angle of sharpening is selected as the anode (15-25) °. The distance between the cathode filaments and the anode rod is ~ (2-3) mm.

Окно-фольга. Подпорка.Window-foil. Backup

Обычно в рентгеновских трубках в качестве материала окна используют самый легкий металл - бериллий. Однако, из-за необходимости удержания атмосферного давления и во избежание разрушения окна возникающими при нагреве механическими деформациями, окно должно иметь сравнительно большую толщину, что нежелательно. Теплофизические расчеты, проведенные в работе [5], показывают, что в качестве материала выходного окна вместо бериллия могут быть использованы алюминий или углерод (в форме стеклоуглерода или поликристаллического искусственного алмаза) ввиду их высокой теплопроводности. Из соображений технологической простоты выберем алюминий. В целях минимизации потерь излучения толщина алюминиевой фольги выбирается минимальной, но с учетом обеспечения длительного сохранения вакуума в приборе. Расчет по данным [Справочник химика 21. www.ngpedia.ru/pic/ 042DQoH2C7K1k5a5K0x80012113777.gif] для диффузии азота (основного компонента воздуха) через алюминиевую мембрану толщиной 50 мкм приводит к величине времени начала ухудшения вакуума (104-105) часов, что приемлемо для реальных условий применений. Уменьшение толщины мембраны в 2 раза приводит к уменьшению времени натекания в 4 раза.Usually in X-ray tubes, the lightest metal, beryllium, is used as the window material. However, due to the need to maintain atmospheric pressure and to avoid damage to the window due to mechanical deformation during heating, the window should have a relatively large thickness, which is undesirable. Thermophysical calculations performed in [5] show that aluminum or carbon (in the form of glassy carbon or polycrystalline artificial diamond) can be used instead of beryllium as the material of the exit window due to their high thermal conductivity. For reasons of technological simplicity, we choose aluminum. In order to minimize radiation losses, the thickness of the aluminum foil is chosen to be minimal, but taking into account the long-term preservation of vacuum in the device. Calculation according to the data of [Handbook of a chemist 21. www.ngpedia.ru/pic/ 042DQoH2C7K1k5a5K0x80012113777.gif] for the diffusion of nitrogen (the main component of air) through an aluminum membrane 50 μm thick leads to a value of the time of the beginning of vacuum deterioration (10 4 -10 5 ) hours, which is acceptable for real-world applications. A decrease in membrane thickness by 2 times leads to a decrease in leakage time by 4 times.

Для определения оптимального размера окна была использована программа расчета напряжений в мембране с закрепленными по контуру краями (http://al-vo.ru/mekhanika/raschet-progiba-plastiny.html). Исходные данные для расчета:To determine the optimal window size, we used the program for calculating stresses in the membrane with edges fixed along the contour (http://al-vo.ru/mekhanika/raschet-progiba-plastiny.html). The initial data for the calculation:

Материал фольги - Al, толщина h=50 мкм;The foil material is Al, thickness h = 50 μm;

Предел текучести (прочности) σ=100 Н/мм2;Yield strength (strength) σ = 100 N / mm 2 ;

Модуль упругости Е=66000 Н/мм2;The modulus of elasticity E = 66000 N / mm 2 ;

Коэффициент Пуассона μ=0.34;Poisson's ratio μ = 0.34;

Распределенная равномерная нагрузка, соответствующая нормальному атмосферному давлению q=0.1 Н/мм2.Distributed uniform load corresponding to normal atmospheric pressure q = 0.1 N / mm 2 .

Результаты расчета показывают, что при размере отверстий 2 мм максимальные напряжения растяжения в алюминиевой фольге составляют 38 Н/мм2, т.е. имеется 2-3 кратный запас прочности (относительно предела текучести). При диаметре окна более 2 мм необходимо либо увеличивать толщину алюминия, либо создавать подпорку в виде сетки из более прочного материала.The calculation results show that when the hole size is 2 mm, the maximum tensile stresses in the aluminum foil are 38 N / mm 2 , i.e. there is a 2-3-fold safety factor (relative to yield strength). With a window diameter of more than 2 mm, it is necessary either to increase the thickness of aluminum, or to create a support in the form of a mesh of more durable material.

При диаметре отверстия окна более 2 мм целесообразно алюминиевую фольгу присоединить к подпорке в виде сетки, сделанной в более толстой пластинке-фольге относительно прочного материала, стыкованного по коэффициенту термического расширения (КТР) с материалом корпуса. Для расчета толщины подпорки, поддерживающей окно-фольгу и представляющей собой сетку в зоне окна-фольги, воспользуемся этой же программой с учетом снижения прочности пластины из-за наличия отверстий. Согласно рекомендациям (Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов… ПНАЭ Г - 7-002-86, Москва, Энергоатомиздат, 1989) для плоских днищ и крышек, имеющих несколько отверстий, минимальное значение коэффициента снижения прочности вычисляется по формуле:When the window opening diameter is more than 2 mm, it is advisable to attach aluminum foil to the support in the form of a mesh made in a thicker foil plate with a relatively strong material joined by thermal expansion coefficient (KTR) to the body material. To calculate the thickness of the support supporting the window-foil and representing a grid in the area of the window-foil, we will use the same program taking into account the decrease in the strength of the plate due to the presence of holes. According to the recommendations (Norms for calculating the strength of equipment and pipelines ... PNAE G - 7-002-86, Moscow, Energoatomizdat, 1989) for flat bottoms and covers with several holes, the minimum value of the coefficient of strength reduction is calculated by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

Где Σdi- - сумма длин хорд отверстий в наиболее ослабленном диаметральном сечении; Dr. - диаметр окна. Для данного случая ϕi=1/(1+0.8+0,64)=0,4. Остальные данные для расчета:Where Σd i - is the sum of the lengths of the chords of the holes in the most weakened diametrical section; D r . - diameter of the window. For this case, ϕ i = 1 / (1 + 0.8 + 0.64) = 0.4. Other data for calculation:

Материал пластинки (фольги) - ковар, толщина 0,5 мм;Plate (foil) material - carpet, thickness 0.5 mm;

Предел текучести (прочности) σ=500 Н/мм2;Yield strength (strength) σ = 500 N / mm 2 ;

Модуль упругости Е=140000 Н/мм2;Elastic modulus E = 140,000 N / mm 2 ;

Коэффициент Пуассона μ=0.3;Poisson's ratio μ = 0.3;

Распределенная равномерная нагрузка, соответствующая нормальному атмосферному давлению q=0.1 Н/мм2.Distributed uniform load corresponding to normal atmospheric pressure q = 0.1 N / mm 2 .

Результаты расчета показывают, что при диаметре окна 20 мм максимальные напряжения составляют 60 Н/мм2, что при учете коэффициента ослабления 0,4 дает трехкратный запас прочности.The calculation results show that with a window diameter of 20 mm, the maximum stresses are 60 N / mm 2 , which, taking into account the attenuation coefficient of 0.4, gives a three-fold safety margin.

Таким образом, в качестве окна-фольги выбран алюминий толщиной 25-30 мкм, диаметром 3-5 мм, которая вакуумно плотно присоединяется с подпорке толщиной 0.4-05 мм и диаметром до 20 мм. Подпорка имеет в области окна-фольги сетчатую структуру с прозрачностью ~0.8 и вне этой области присоединена вакуумноплотно к крышке корпуса излучателя.Thus, aluminum with a thickness of 25-30 μm, a diameter of 3-5 mm, which is vacuum tightly attached with a support of a thickness of 0.4-05 mm and a diameter of up to 20 mm, is chosen as a foil window. The support has a mesh structure in the region of the window-foil with a transparency of ~ 0.8, and outside this region it is vacuum-tightly attached to the cover of the emitter housing.

Теплоотвод. Пластинка.Heat sink Plate.

Выбор формы, размера и материала элементов позволяет рассчитать их тепловые параметры [6]. Анод - вольфрамовый стержень-конус, присоединенный основанием к теплоотводу. Оптимальным вариантом теплоотвода является усеченный конус из хорошо теплопроводящего материала, лучшим из которых является медь.The choice of the shape, size and material of the elements allows us to calculate their thermal parameters [6]. Anode is a tungsten rod-cone connected by a base to a heat sink. The best option for heat removal is a truncated cone made of well heat-conducting material, the best of which is copper.

В основе расчета лежит определение теплового сопротивления RT2К/Вт) усеченного конуса (фиг. 2):The calculation is based on the determination of the thermal resistance R T (m 2 K / W) of the truncated cone (Fig. 2):

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
- элемент высоты конуса, находящийся на расстоянии
Figure 00000004
от верхнего основания конуса и имеющий площадь поперечного сечения
Figure 00000005
, причем тепловой поток равномерно распределен по площадке
Figure 00000005
.
Figure 00000006
где
Figure 00000007
- радиус текущего сечения конуса. λ - коэффициент теплопроводности (Вт/мК). Из рисунка видно, что
Figure 00000008
.Where
Figure 00000003
- a cone height element located at a distance
Figure 00000004
from the upper base of the cone and having a cross-sectional area
Figure 00000005
moreover, the heat flux is evenly distributed over the site
Figure 00000005
.
Figure 00000006
Where
Figure 00000007
- radius of the current section of the cone. λ is the coefficient of thermal conductivity (W / mK). The figure shows that
Figure 00000008
.

Вычисления приводят к формуле для RT: RT=L(πλr1r2)-1.The calculations lead to the formula for R T : R T = L (πλr 1 r 2 ) -1 .

Перепад температуры на конусе рассчитывается по формуле: ΔТ=Р/RT.The temperature difference on the cone is calculated by the formula: ΔТ = Р / R T.

С учетом теплового излучения уравнение теплового баланса:Given thermal radiation, the heat balance equation:

Figure 00000009
Figure 00000009

где - σ=5.7(10-8) Вт/м2К - постоянная Стефана-Больцмана.where - σ = 5.7 (10 -8 ) W / m 2 K is the Stefan-Boltzmann constant.

Второй член в формуле (1) в большинстве случаев дает незначительную добавку и имеет малую долю влияния.The second term in formula (1) in most cases gives an insignificant addition and has a small share of influence.

Для случая медного теплоотвода (λ ~ 400 Вт/м2К) перепад температуры ΔT [К] на нем при рассеиваемой тепловой мощности Р [Вт] - ΔТ~Pr1r2/Н (все размеры в миллиметрах, H=L - высота конуса).For the case of copper heat sink (λ ~ 400 W / m 2 K), the temperature drop ΔT [K] on it with dissipated heat power P [W] - ΔT ~ Pr 1 r 2 / N (all dimensions in millimeters, H = L - height cone).

Принципиальным для рентгеновских излучателей является наличие в вакуумном объеме сильно нагретых элементов. Это приводит к нагреванию корпуса и возникновению больших градиентов температуры, что может приводить к механическим разрушениям прибора и его элементов. В рассматриваемом варианте относительно массивный теплоотвод из меди, имеющей коэффициент температурного расширения (КТР), значительно отличающийся от значений для стекла, должен быть механически отсоединен от корпуса. То есть теплоотвод необходимо присоединить к пластинке свободно. В системе появится еще один элемент с тепловым сопротивлением, которое, как показал расчет, более 10 раз меньше, чем тепловое сопротивление теплоотвода.Of fundamental importance for X-ray emitters is the presence of highly heated elements in the vacuum volume. This leads to heating of the case and the appearance of large temperature gradients, which can lead to mechanical damage to the device and its elements. In this embodiment, a relatively massive heat sink made of copper having a coefficient of thermal expansion (CTE), significantly different from the values for glass, must be mechanically disconnected from the case. That is, the heat sink must be attached to the plate freely. Another element with thermal resistance will appear in the system, which, as shown by the calculation, is more than 10 times less than the thermal resistance of the heat sink.

Таким образом, размеры теплоотвода рассчитываются в зависимости от величин потребляемой мощности. Пластинка выбирается в виде относительно толстой фольги материала, стыкованного по КТР со стеклом корпуса.Thus, the dimensions of the heat sink are calculated depending on the values of power consumption. The plate is selected in the form of a relatively thick foil of material joined along the KTP with the glass of the case.

Газопоглотитель. МКЭ.Getter. FEM.

Для поддержания вакуума в электронных лампах в течение срока службы используют газопоглотитель-геттер (геттерирование. http://www.ngpedia.ru/ id640968p2. html).To maintain the vacuum in electronic tubes, a getter getter is used (gettering. Http://www.ngpedia.ru/ id640968p2. Html).

Известны различные варианты введения в конструкцию рентгеновских трубок геттеров, общим недостатком которых является необходимость поддерживать рабочую температуру геттера, что приводит к усложнению конструкции трубки и ухудшению ее характеристик. В нашем варианте предлагается ввести в конструкцию трубки специальный геттерный элемент с развитой поверхностью, на которую производится напыление пленки распыляемого геттера. Данный элемент конструкции может быть выполнен в виде микроканального элемента (МКЭ) с закрытыми с одной стороны каналами. Со стороны открытых отверстий каналов расположен источник геттерного материала в виде таблетки или кольца. При активации источника путем индукционного нагрева пары геттерного материала осаждаются на внутренней поверхности каналов микроканальной пластины, создавая, таким образом, геттерное зеркало значительной площади. Сорбционная емкость такого геттерного элемента определяется суммарной площадью каналов МКП, которая многократно превышает площадь геттерного зеркала в электровакуумных лампах традиционной конструкции.There are various options for introducing getters into the design of x-ray tubes, a common drawback of which is the need to maintain the working temperature of the getter, which complicates the design of the tube and worsens its characteristics. In our version, it is proposed to introduce a special getter element with a developed surface into the tube structure, onto which the film of the sprayed getter is sprayed. This structural element can be made in the form of a microchannel element (FEM) with channels closed on one side. A source of getter material in the form of a tablet or ring is located on the side of the open channel openings. When the source is activated by induction heating, getter material pairs are deposited on the inner surface of the channels of the microchannel plate, thus creating a getter mirror of a considerable area. The sorption capacity of such a getter element is determined by the total area of the MCP channels, which is many times greater than the area of the getter mirror in conventional vacuum tubes.

Пример исполнения и применения.An example of execution and application.

Размеры теплоотвода: Н=30 мм, r1=3 мм, r2=10 мм. Перегрев ΔТ~Pr1r2/Н~ (50-100) К для случая рассеиваемой тепловой мощности Р~50 Вт.The dimensions of the heat sink: N = 30 mm, r 1 = 3 mm, r 2 = 10 mm. Overheating ΔТ ~ Pr 1 r 2 / Н ~ (50-100) К for the case of dissipated heat power Р ~ 50 W.

Размер фокусного пятна (0.2-0.3) мм.The size of the focal spot (0.2-0.3) mm.

Размеры излучателя: цилиндр высотой (35-40) мм и диаметром (45-50) мм.Dimensions of the emitter: cylinder height (35-40) mm and diameter (45-50) mm.

Излучатель должен быть установлен на массивное металлическое дно корпуса устройства. Корпус устройства может иметь вид уплощенного параллелепипида, располагаемого на столе.The emitter must be installed on the massive metal bottom of the device. The body of the device may be in the form of a flattened parallelepid, located on the table.

В такой конструкции прибор может иметь применение для местного контроля внутренней структуры объекта уплощенной формы с разрешением не хуже 0.2 мм. Преимуществом прибора в данном случае является возможность оперативного управляемого ручным способом местного контроля структуры объекта. Прибор может быть использован в лечебных учреждениях, травмпунктах, на производстве, в бытовых условиях, при досмотре небольших объектах.In this design, the device can be used for local control of the internal structure of an object of a flattened shape with a resolution of no worse than 0.2 mm. The advantage of the device in this case is the possibility of operational, manually controlled local control of the structure of the object. The device can be used in medical institutions, emergency rooms, in production, in domestic conditions, during the inspection of small objects.

Использованные источники информацииInformation Sources Used

1. Патент РФ 2524351. Импульсная рентгеновская трубка. Приоритет - 01.11.2012. Патентообладатель: ОАО "Плазма". Авторы: Меркулов Б.П., Маханько Д.С, Тетерин Д.Е.1. RF patent 2524351. Pulse x-ray tube. Priority - November 1, 2012. Patent holder: JSC "Plasma". Authors: Merkulov B.P., Makhanko D.S., Teterin D.E.

2. Егоров Н.В., Шешин Е.П. Электронная эмиссия. М.: Интеллект.2011.2. Egorov N.V., Sheshin E.P. Electronic emission. M .: Intellect. 2011.

3. Н.Д. Жуков, Д.С. Мосияш, А.А. Хазанов, Н.П. Абаньшин. Оптимизация структуры и материала автокатода. Прикладная физика, 2015, №3, с. с. 93-97.3. N.D. Zhukov, D.S. Mosiyash, A.A. Khazanov, N.P. Abanshin. Optimization of the structure and material of the cathode. Applied Physics, 2015, No. 3, p. from. 93-97.

4. Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей, https://www.twirpx.com/file/10675434. Blokhin M.A. X-ray Physics, https://www.twirpx.com/file/1067543

5. Подымский А. А. Мощные рентгеновские трубки для проекционной рентгенографии. Автореф. диссер. на соиск. уч. ст.канд. тех. н. Санкт-Петербург, 2016.5. Podymsky A. A. Powerful x-ray tubes for projection radiography. Abstract. thesis for a job. student senior candidate those. n St. Petersburg, 2016.

6. Теплопередача: Учебник для вузов / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.6. Heat transfer: Textbook for high schools / V.P. Isachenko, V.A. Osipova, A.S. Sukomel. M .: Energoizdat, 1981. - 416 p.

Claims (1)

Рентгеновский острофокусный излучатель с стержневым анодом, имеющий вакуумный цилиндрический баллон из термостойкого стекла с крышками 1 и 2 по торцам; стержневой анод, заостренный с углом не более 60°, окруженный катодом и присоединенный к теплоотводу, соединяемому с радиатором устройства применения; окно в крышке 1 для вывода рентгеновского излучения; газопоглотитель в виде микроканального элемента (МКЭ), отличающийся тем, что катод выполнен из вольфрамовой проволоки-нити диаметром 20-25 мкм с нанесенным на ее поверхность нанопорошком узкозонного полупроводника А3В5 (InAs, InSb, GaSb) и установлен на внутренней стороне крышки 1 в виде четырех пересекающихся нитей, расположенных в плоскости, параллельной крышке, отстоящей от нее на расстоянии 1-3 мм, и образующих катодный квадрат; анод выполнен из вольфрамового стержня-конуса с углом 15-25°, высотой 2-3 мм, основанием присоединен к теплоотводу, а вершиной направлен к центру окна и проходит через центр катодного квадрата примерно на 2/3 своей высоты; расстояние между катодными нитями и анодом-конусом 2-3 мм; теплоотвод выполнен из меди в виде усеченного конуса с подбираемыми размерами: высота Н, радиусы оснований со стороны присоединенного анода, меньший - r1, больший - r2; большим основанием теплоотвод присоединяется свободно (с возможностью скольжения) через отверстие крышки 2 к пластинке, присоединенной вакуумно-плотно к крышке 2 с ее внешней стороны; размеры подбираются с учетом зависимости перепада температуры ΔT [К] на теплоотводе от рассеиваемой тепловой мощности Р [Вт]: ΔT~Pr1r2/Н (все размеры в миллиметрах).X-ray sharp focus emitter with a rod anode, having a vacuum cylindrical cylinder made of heat-resistant glass with caps 1 and 2 at the ends; a rod anode pointed with an angle of not more than 60 °, surrounded by a cathode and connected to a heat sink connected to the radiator of the application device; a window in the lid 1 for outputting x-ray radiation; a getter in the form of a microchannel element (FEM), characterized in that the cathode is made of a tungsten filament wire with a diameter of 20-25 μm with a nanopowder of narrow-band A 3 B 5 semiconductor deposited on its surface (InAs, InSb, GaSb) and mounted on the inner side of the cap 1 in the form of four intersecting filaments located in a plane parallel to the lid, spaced from it at a distance of 1-3 mm, and forming a cathode square; the anode is made of a tungsten rod-cone with an angle of 15-25 °, a height of 2-3 mm, the base is attached to the heat sink, and with the top directed to the center of the window and passes through the center of the cathode square at about 2/3 of its height; the distance between the cathode filaments and the cone anode is 2-3 mm; the heat sink is made of copper in the form of a truncated cone with the selected dimensions: height H, radii of the bases from the side of the attached anode, smaller - r 1 , larger - r 2 ; with a large base, the heat sink joins freely (with the possibility of sliding) through the opening of the lid 2 to the plate attached vacuum-tightly to the lid 2 from its outer side; the sizes are selected taking into account the dependence of the temperature difference ΔT [K] on the heat sink on the dissipated heat power P [W]: ΔT ~ Pr 1 r 2 / N (all dimensions in millimeters).
RU2018110215A 2018-03-21 2018-03-21 X-ray acute-focus radiator with rod anode RU2676672C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018110215A RU2676672C1 (en) 2018-03-21 2018-03-21 X-ray acute-focus radiator with rod anode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018110215A RU2676672C1 (en) 2018-03-21 2018-03-21 X-ray acute-focus radiator with rod anode

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2676672C1 true RU2676672C1 (en) 2019-01-10

Family

ID=64958618

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018110215A RU2676672C1 (en) 2018-03-21 2018-03-21 X-ray acute-focus radiator with rod anode

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2676672C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113764244A (en) * 2020-06-03 2021-12-07 西门子医疗有限公司 X-ray radiator and X-ray device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120257721A1 (en) * 2010-03-26 2012-10-11 Xl Co., Ltd. X-ray tube having non-evaporable getter
RU2524351C2 (en) * 2012-11-01 2014-07-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма" (ОАО "Плазма") Pulsed x-ray tube
JP2015114132A (en) * 2013-12-09 2015-06-22 キヤノン株式会社 Radiation tube and radiation inspection device
US20160079029A1 (en) * 2013-05-08 2016-03-17 Chongqing Qiyueyongyang Microelectronic Science&Technology Development Co., Ltd. Graphene serving as cathode of x-ray tube and x-ray tube thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120257721A1 (en) * 2010-03-26 2012-10-11 Xl Co., Ltd. X-ray tube having non-evaporable getter
RU2524351C2 (en) * 2012-11-01 2014-07-27 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма" (ОАО "Плазма") Pulsed x-ray tube
US20160079029A1 (en) * 2013-05-08 2016-03-17 Chongqing Qiyueyongyang Microelectronic Science&Technology Development Co., Ltd. Graphene serving as cathode of x-ray tube and x-ray tube thereof
JP2015114132A (en) * 2013-12-09 2015-06-22 キヤノン株式会社 Radiation tube and radiation inspection device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113764244A (en) * 2020-06-03 2021-12-07 西门子医疗有限公司 X-ray radiator and X-ray device
CN113764244B (en) * 2020-06-03 2023-10-03 西门子医疗有限公司 X-ray radiator and X-ray device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Basu et al. A portable x-ray source with a nanostructured Pt-coated silicon field emission cathode for absorption imaging of low-Z materials
JP4810056B2 (en) Cathode for high emission X-ray tube
EP2740332B1 (en) Radiation generating apparatus and radiation imaging apparatus
US9431206B2 (en) X-ray generation tube, X-ray generation device including the X-ray generation tube, and X-ray imaging system
US20130308754A1 (en) Radiation generating target, radiation generating tube, radiation generating apparatus, and radiation imaging system
US9818569B2 (en) High dose output, through transmission target X-ray system and methods of use
US20140029727A1 (en) X-ray generating apparatus for paracentesis
US9425021B2 (en) X-ray generation apparatus and X-ray radiographic apparatus
CN102142346A (en) X-ray cathode and method of manufacture the same
US9818571B2 (en) X-ray generation tube, X-ray generation apparatus, and radiography system
WO2014172932A1 (en) X-ray source for medical detection, and movable ct scanner
JP2007538359A (en) High-dose X-ray tube
RU2676672C1 (en) X-ray acute-focus radiator with rod anode
JP2013051165A (en) Transmission x-ray generator
US11101096B2 (en) High dose output, through transmission and relective target X-ray system and methods of use
JP2020047407A (en) Charged particle beam device
US7657003B2 (en) X-ray tube with enhanced small spot cathode and methods for manufacture thereof
US9484177B2 (en) Longitudinal high dose output, through transmission target X-ray system and methods of use
WO2014172942A1 (en) X-ray tube based on field emission of lab6 nanomaterial, and movable ct scanner
CN106409638A (en) Flat-plate type X ray source device with double surfaces radiating X rays simultaneously
JP2005243331A (en) X-ray tube
JP6153314B2 (en) X-ray transmission type target and manufacturing method thereof
KR101615337B1 (en) X-ray source comprising cnt yarn and x-ray emitting apparatus using the same
CN109698105B (en) High dose delivery, transmission and reflection target X-ray system and method of use
WO2014172936A1 (en) X-ray tube based on thermal emission of lab6 nanomaterial, and movable ct scanner

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20201020