CEoD2BE9up

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ПРИМЕНЕНИЕ УСКОРИТЕЛЕЙ И РЕНТГЕНОВСКИХ ПРИБОРОВ

Электронные методические указания

ккурсовому проектированию

2-е издание, дополненное

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2014

1

УДК 621.384.1

Применение ускорителей и рентгеновских приборов: электрон. метод. указ., 2-е изд., доп. / сост: А. Ю. Грязнов, Н. Н. Потрахов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 30 с.

Содержат указания к курсовому проектированию по курсу «Применение ускорителей и рентгеновских приборов». Приведено описание современных принципов конструирования рентгеновских трубок, рассмотрены особенности их производства и применения.

Предназначены для студентов специальности 200300 и направления 654100, а также могут быть полезны инженерно-техническим работникам этой области знаний.

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве электронных методических указаний

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014

2

ВВЕДЕНИЕ

Рентгенография благодаря универсальности и высокой информативности уже на протяжении более ста лет занимает одно из ведущих мест среди методов медицинской диагностики. Несмотря на появление всё новых и новых методов исследования рентгенодиагностика остаётся не только актуальным, но и во многих случаях единственно возможным методом постановки диагноза.

Однако со времён первого рентгеновского снимка не произошло ника-

ких революционных изменений, которые бы сильно повлияли на методы ме-

дицинской рентгенодиагностики. Развитие данного метода пошло преимуще-

ственно экстенсивным путём – за счет улучшения характеристик оборудова-

ния. Постепенно совершенствуются питающие устройства рентгеновских ис-

точников, разрабатываются новые типы приёмников, внедряются автомати-

зированные и компьютеризированные диагностические установки. В послед-

ние годы получили развитие перспективные технологии цифровых приёмни-

ков рентгеновского излучения, которые существенно упрощают обработку,

хранение и анализ рентгенограмм.

Нельзя упускать из виду тот факт, что качество и информативность рент-

геновского обследования зависит не столько от характеристик какого-либо элемента рентгенодиагностической аппаратуры, а в большей степени от пра-

вильного, рационального использования характеристик каждого элемента, его сильных и слабых сторон. С этой точки зрения более перспективен интенсив-

ный путь развития рентгенотехники – создание новых методик диагностиро-

вания и оригинальной аппаратуры для их реализации.

Тем не менее, основной составляющей каждого рентгеновского аппарата является рентгеновская трубка. Она представляет собой высоковольтный электровакуумный прибор минимум с двумя электродами: катодом и анодом.

Рентгеновское излучение возникает в результате резкого торможения быст-

родвижущихся электронов об анод рентгеновской трубки. Электроны разго-

няются сильным электрическим полем, которое создается высоким напряже-

нием, приложенным между электродами. Напряжение обычно имеет значе-

ние порядка десятков и сотен киловольт: чем оно выше, тем больше прони-

кающая способность рентгеновского излучения.

Современные рентгеновские трубки выпускаются, как правило, в закры-

том исполнении (отпаянные трубки), однако промышленность производит и разборные трубки.

3

В настоящем учебном пособии приводятся основные характеристики и ме-

тоды расчеты и проектирования рентгеновских трубок, которые могут быть по-

лезны студентам при выполнении курсовых проектов, посвященных данной те-

матике, а также инженерно-техническим работникам этой области знаний.

4

1. КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СОВРЕМЕННОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ

Основными узлами современной рентгеновской трубки являются катодный узел, вакуумная оболочка и анодный узел.

Катодный узел предназначен для формирования электронного потока заданной формы. Конструкция катодного узла включает в себя токоведущие провода, держатель катода, токоведущие стойки, нить накала, катодный экран и изолятор.

В качестве источников электронов в основном используется или прямонакальный термокатод или автоэлектронный эмиттер. Катод крепится (методом сварки, либо механически) к молибденовым стойкам, одна из которых крепится к держателю катода и имеет с ним электрический контакт, а другая механически фиксируется к держателю катода, но отделена от него изолятором. Токоведущие провода подводятся к изолированной стойке и к держателю катода и выводятся за пределы вакуумной оболочки.

Для того чтобы избежать паразитной эмиссии электронов от токоведущих проводов, к фокусирующему электроду приваривается экран.

Для того чтобы эмитируемый поток электронов имел определенную форму на всем пути от катода до мишени анода, конструкция катодного узла представляет собой электронно-оптическую систему. Эффект фокусировки электронного пучка обеспечивает определенная форма отверстия в катодном экране. К катодам трубок, наряду с общими требованиями к катодам электровакуумных приборов (обеспечивать необходимый и устойчивый ток эмиссии в процессе всего срока службы, хорошо обезгаживаться и не ухудшать вакуум в приборе в рабочих режимах, иметь достаточный срок службы и т. д.), предъявляется ряд специальных требований: стабильности работы при большой напряженности поля на поверхности катода и возможности регулировки тока эмиссии в широких пределах.

Рис. 1. Конструкции катодов

5

Вакуумная оболочка рентгеновской трубки предназначена для отделения вакуумного объема прибора от внешней среды, закрепления электродов в определенном положении и изоляции их друг от друга. Баллон изготавливается методом выдувания в специальные формы, позволяющие формировать необходимую конфигурацию баллона с достаточной точностью. Соединение электродов с баллоном осуществляется пайкой. При этом собранные на стеклянных ножках катодный и анодный узлы герметично соединяются с баллоном на специальных заварочных станках.

Рис. 2. Типы вакуумных оболочек

Средняя часть баллона расширена для увеличения электрической прочности. При этом расширение средней части способствует уменьшению удельной тепловой нагрузки на поверхность стекла за счет теплового излучения с катода и анода. Длина баллона выбирается с учетом рабочего напряжения трубки и среды, в которой она будет эксплуатироваться. В месте, где предполагается выпуск излучения, производится уменьшение толщины стенки методом шлифовки – создается специфическое выпускное окно. Другим вариантом является использование выпускного окна из вауумплотного бериллия.

Анодные узлы рентгеновских трубок предназначены непосредственно для генерации рентгеновского излучения. Анодом рентгеновской трубки называется электрод, выполняющий функции мишени или несущий мишень трубки. Часть рентгеновского излучения, возникающего при торможении электронов на мишени, предназначенная для полезного использования и заключенная в телесном угле, вершина которого лежит в центре действительного фокусного пятна , называется рабочим пучком излучения трубки . Геометрические характеристики рабочего пучка излучения (его направление и телесный угол) зависят от конструкции рентгеновской трубки и ее анода.

Конструктивно аноды могут быть выполнены массивными или прострельными. Массивный анод состоит из тела анода и мишени (составной анод). Материал тела анода должен обладать высокой теплопроводностью, так как через тело анода отводится теплота к охлаждающему устройству. Чаще всего тело анода изготавливают из меди, обладающей достаточно высокой температурой плавления (1360 К), хорошими вакуумными свойствами,

6

высокими теплоемкостью и теплопроводностью. К мишени, наносимой на поверхность анода, предъявляются требования высокой температуры плавления и низкой упругости паров при высокой температуре. В трубках, предназначенных для получения тормозного излучения, мишени изготавливают из вольфрама. Для получения характеристического излучения определенной жесткости (трубки для рентгеноструктурного анализа и рентгеноспектрального анализа) мишени изготовляют из различных материалов (хром, железо, медь, молибден, серебро и др.).

Рис. 3. Конструкция анодного узла массивного типа 1 – мишень, 2 – тело анода, 3 – центральная охлаждающая трубка,

4 - соединительное коваровое кольцо, 5 – край стеклянного баллона

В ряде случаев мишень как конструктивный элемент в трубке отсутствует, а ее функции выполняет поверхность тела анода (однородный анод). Основное требование при изготовлении массивного анода с мишенью – хороший тепловой контакт между мишенью и телом анода. Это требование обеспечивается различными технологическими приемами: вакуумной плавкой, диффузионной сваркой электрохимическим или плазменным нанесением. Вакуумная плавка применяется для изготовления анодов с массивными тугоплавкими мишенями из вольфрама, молибдена или родия. Для плавки используется разборный графитовый тигель в виде стакана, на дно которого устанавливают под необходимым углом мишень. Затем в тигель вкладывают медную, предварительно очищенную от загрязнений цилиндрическую заготовку. Плавку меди в тигле производят в вакуумной печи с электрическим нагревом или посредством токов высокой частоты под кварцевым колпаком. В зависимости от массы анодов подбирают режимы плавки таким образом, чтобы медное тело анода имело крупнокристаллическую структуру. После плавки заготовку анода обрабатывают механически, придавая ей необходимую конфигурацию. Конструкция охлаждающего анод устройства зависит от режима работы, мощности трубки и некоторых других факторов. В рентгеновских трубках, работающих в режиме повторно-кратковременного включения средней мощности (несколько сотен ватт), применяют радиаторное охлаждение.

7

К медному телу анода с мишенью крепится сваркой фланец, посредством которого производится подсоединение анодного узла к баллону трубки. Радиатор закрепляется на хвостовике анода по горячей посадке после откачки трубки. С целью надежного теплового контакта сопрягаемые поверхности тела анода и радиатора тщательно обрабатываются. Для увеличения поверхности теплообмена радиатор выполняется многореберным. В качестве охлаждающей среды могут применяться масло, вода или воздух. В зависимости от конструкции излучателей и режимов работы охлаждение бывает принудительным (посредством насосов) или естественным. В трубках большой (до 4 кВт) мощности, работающих в длительном непрерывном режиме, применяются системы проточного жидкостного охлаждения. В качестве хладагента используется вода или трансформаторное масло. В обеих системах охлаждения жидкость поступает в полость анода по трубке, расположенной на его оси, омывает внутреннюю стенку полости непосредственно, растекаясь по каналам специальной бифилярной спирали, припаянной к торцевой части охлаждаемой поверхности. Спираль, называемая улиткой, способствует лучшему омыванию жидкостью наиболее горячей торцевой части охлаждаемой поверхности, а также увеличивает поверхность теплообмена. Поэтому система охлаждения с улиткой способна отводить более высокую мощность. В системах охлаждения с улиткой в качества хладагента обычно используется трансформаторное масло, которое одновременно служит изоляцией рентгеновской трубки от заземленного кожуха или бака с трансформаторным маслом, в котором размещается трубка. В системе для охлаждения обычно используется вода непосредственно от водопровода, анодный узел заземляется.

Рис. 4. Анод с чехлом.

1 – чехол, 2 – пучок электронов, 3 – выпускное окно, 4 – излучение, 5 – анод

В стационарной и передвижной аппаратуре для дефектоскопии чаще всего используют рентгеновские трубки торцевой конструкции с чехлом на

8

аноде. Они, как правило, работают в диапазоне напряжений 160 - 320 кВ и характеризуются высокой мощностью, достигающей 4 кВт. Конструктивной особенностью этих приборов является массивный медный чехол на аноде.

Чехол служит для уменьшения интенсивности неиспользуемого рентгеновского излучения и препятствует попаданию вторичных электронов, выбитых из мишени, на стеклянную оболочку прибора, способствуя увеличению электрической прочности и надежности трубки. Иногда для усиления защитных свойств чехла его изготавливают из материала с присадками тяжелых элементов, например, вольфрама, либо снабжают внутренними экранами в виде цилиндров из молибдена или тантала. Направленный рабочий пучок рентгеновского излучения выпускается через специальное отверстие в чехле, которое закрывается бериллиевым или титановым диском, и далее проходит сквозь баллон трубки. Аноды мощных рентгеновских трубок данного типа для стационарной аппаратуры, как правило, имеют принудительное масляное охлаждение.

9

2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Целью курсового проектирования является расчет тепловых, электриче-

ских и радиационных характеристик рентгеновской трубки, а также разра-

ботка основных элементов ее конструкции.

1.Получить вариант задания, в котором будут указаны основные данные для расчета и проектирования рентгеновской трубки (например, вариант из таблицы 1):

Тип и назначение трубки.

Рабочее напряжение трубки.

Номинальная мощность трубки.

Материал мишени трубки.

2.Ознакомится и привести краткое описание основных требований ,

предъявляемых к катодным и анодным узлам, вакуумной оболочке трубки и выпускным окнам современных рентгеновских трубок.

3. Выполнить расчет электрической прочности для заданной рентгенов-

ской трубки.

Определить межэлектродное расстояние.

Определить площадь поверхности, на которой вероятны пробои.

Определить взаимное положение, конфигурацию электродов и рас-

стояние их от оболочки.

4. Рассчитать тепловой режим анода рентгеновской трубки.

Определить максимальную температуру анода при номинальной мощности трубки.

Рассчитать (в случае ее наличия) параметры принудительной си-

стемы охлаждения анода рентгеновской трубки.

5.Определить характеристики излучения рентгеновской трубки.

Рассчитать диаграмму направленности излучения трубки.

Рассчитать спектральную плотность потока трубки.

6.Выполнить сборочный чертеж заданной рентгеновской трубки с ука-

занием основных составляющих компонентов. Привести спецификацию.

10