sb000010

Министерство образования и науки РФ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

А. Ю. Грязнов Н. Н. Потрахов

Применение ускорителей и рентгеновских приборов

Учебное пособие к курсовому проектированию

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2007

УДК 621.384.6

ББК ???

Г???

Г?? Грязнов А. Ю., Потрахов Н. Н.

Применение ускорителей и рентгеновских приборов: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. 32 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.

УДК ???

ББК???

Рецензенты: лаборатория технических средств неразрушающего контроля Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА); главный инженер ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» В. М. Мухин.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

2

ВВЕДЕНИЕ

Рентгеновская аппаратура занимает одно из ведущих мест в ряду средств, применяемых для изучения строения вещества, неразрушающего контроля качества изделий, радиационной технологии, исследования быстропротекающих процессов и решения других научных и технических задач. Функциональные возможности и технический уровень рентгеновской аппаратуры в значительной степени определяются параметрами используемых в ней источников излучения – рентгеновских трубок.

Исторически первыми областями практического использования рентгеновского излучения стали медицинская диагностика и просвечивание материалов. На начальном этапе развития рентгенотехники для получения теневых картин исследуемых объектов применялись ионные рентгеновские трубки. Работы Р. Лилиенфельда и особенно К. Кулиджа (1912–1913 гг.) привели к созданию электронных трубок с термокатодом, получивших в дальнейшем исключительно широкое распространение.

В настоящий момент благодаря успехам вакуумной техники и технологии рентгеновские трубки значительно усовершенствованы. Развитая номенклатура существующих рентгеновских трубок позволяет решить широчайший спектр практических задач различного рода: в областях рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа, рентгенографии быстропротекающих процессов, исследования фазового и элементного состава в промышленных и научных целях, контроля качества изделий микроэлектроники и полупроводниковой техники, рентгеновской локации, рентгенолюминесцентной сепарации горных пород, рентгенолитографии и многих других.

Условное обозначение рентгеновских приборов (маркировка) определено в ОСТ 11.073.807–82 «Приборы электровакуумные. Система условных обозначений» и отражает назначение, а иногда и основные параметры приборов. В соответствии с ОСТ условное обозначение включает в себя комбинацию цифр и букв: цифра \ буквы \ цифра \ - цифра.

Первая цифра в обозначении рентгеновских трубок для промышленного просвечивания, структурного и спектрального анализа означает предельную допустимую мощность при длительном включении в киловаттах. Далее следует буква, обозначающая способ защиты от излучения: «Р» – обеспечивается полная защита; «Б» – требуется дополнительная защита элементами кожуха или моноблока аппарата. Следующая буква обозначает область приме-

3

нения: «П» – для промышленного просвечивания; «X» – для спектрального анализа; «С» – для структурного анализа; «М» – для медицинского просвечивания; «Т» – для терапии; «Д» – для дефектоскопии.

Третья буква обозначает характер (способ) принудительного охлаждения: «В» – водяное; «К» – воздушное; «М» – масляное. Отсутствие третьей буквы означает охлаждение естественной конвекцией или лучеиспусканием. Следующая за буквами цифра обозначает порядковый номер прибора в данной группе.

Следующая цифра в обозначении трубок для промышленного просвечивания (пишется через дефис) указывает предельное допустимое анодное напряжение в киловольтах. Последним элементом условного обозначения трубок для структурного и спектрального анализа (пишется через дефис) является символ материала мишени анода. Иногда к стандартному обозначению трубки добавляется римская цифра в скобках, указывающая на внешнее конструктивное оформление прибора (если этого требуют различные конструкции защитных кожухов аппаратуры старых и новых модификаций). Информация о различиях в конструктивном исполнении приводится в паспорте прибора и в рекламных сообщениях.

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 источника электронов чаще всего 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 на держателе 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 из-

4

бежать 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 катода (рис. 1.1) и отверстие 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.), предъявляются специальные требования: стабильности работы при большой напряженности поля на поверхности катода и возможности регулировки тока эмиссии в широких пределах.

Рис. 1.1. Конструкции катодов

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 (рис. 1.2). Электроды с баллоном соединяются пайкой. При этом собранные на стеклянных ножках катодный и анодный узлы герметично соединяются с баллоном на специальных заварочных станках.

Рис. 1.2. Типы вакуумных оболочек

Средняя часть баллона расширена для увеличения электрической прочности. Это способствует также уменьшению удельной тепловой нагрузки на поверхность стекла за счет теплового излучения с катода и анода. Длина бал-

5

лона выбирается с учетом рабочего напряжения трубки и среды, в которой она будет эксплуатироваться. В месте, где, предполагается, будет происходить выпуск излучения, толщину стенки уменьшают методом шлифовки – создают особое 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 (рис. 1.3) 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 довольно высокой температурой плавления (1360 К), хорошими вакуумными свойствами, высокими теплоемкостью и теплопроводностью.

Рис. 1.3. Конструкция анодного узла массивного типа: 1 – мишень, 2 – тело анода, 3 – центральная охлаждающая трубка, 4 – соединительное

коваровое кольцо, 5 – край стеклянного баллона

К мишени, наносимой на поверхность анода, предъявляются следующие требования: ее температура плавления должна быть высокой, а упругость паров при высокой температуре – низкой. В трубках, предназначенных для получения тормозного излучения, мишени изготавливают из вольфрама. Для

6

получения характеристического излучения определенной жесткости (трубки для рентгеноструктурного анализа и рентгеноспектрального анализа) мишени изготовляют из различных материалов (хром, железо, медь, молибден, серебро и др.).

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 под необходимым углом устанавливают мишень. Затем в тигель вкладывают медную химически 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 такие режимы плавки, 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.

К медному телу анода с мишенью крепится сваркой фланец, посредством которого анодный узел подсоединяется к баллону трубки. Радиатор закрепляется на хвостовике анода способом горячей посадки после откачки трубки. Для обеспечения 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 ре-

7

жиме, применяются системы проточного жидкостного охлаждения. В качестве хладагента используется вода или трансформаторное масло.

Вобеих 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 для изоляции рентгеновской трубки от заземленного кожуха или бака

странсформаторным маслом, в котором размещается трубка.

Вводоохлаждаемые системы вода поступает непосредственно из водопровода. Анодный узел заземляется.

Встационарной и передвижной аппаратуре для дефектоскопии чаще всего используются рентгеновские трубки торцевой конструкции с чехлом на 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.

Рис. 1.4. Анод с чехлом: 1 – чехол, 2 – пучок электронов, 3 – выпускное окно, 4 – излучение, 5 – анод

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

8

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

2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Целями курсового проектирования являются расчет тепловых, электрических и радиационных характеристик рентгеновской трубки, а также разработка основных элементов ее конструкции.

1. Получить вариант задания, в котором будут указаны основные данные для расчета и проектирования рентгеновской трубки (например, вариант из табл. 2.1):

тип и назначение трубки;

рабочее напряжение трубки;

номинальная мощность трубки;

материал мишени трубки.

2.Привести краткое описание основных требований, предъявляемых к катодным и анодным узлам, вакуумной оболочке трубки и выпускным окнам современных рентгеновских трубок.

3.Рассчитать электрическую прочность для заданной рентгеновской трубки.

Определить межэлектродное расстояние.

Определить площадь поверхности, на которой вероятны пробои.

Определить взаимное положение, конфигурацию электродов и расстояние 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 системы охлаждения анода рентгеновской трубки.

5. Определить характеристики излучения рентгеновской трубки.

Рассчитать диаграмму направленности излучения трубки.

9

Рассчитать спектральную плотность потока трубки.

6. Выполнить сборочный чертеж заданной рентгеновской трубки с указанием основных ее компонентов. Привести спецификацию.

Таблица 2.1

Примерные варианты задания

нами

10