ИМПУЛЬСНАЯ НАНОСЕКУНДНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА С КОМБИНИРОВАННЫМ ВОЛЬФРАМО-ГРАФИТОВЫМ АНОДОМ

Корженевский С.Р.¹, Комарский А.А.², Бессонова В.А.³, Чепусов А.С.⁴

¹Кандидат технических наук, ^2,3,4Младший научный сотрудник, Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук, ^2,4Аспирант, Уральский Федеральный Университет

Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ 14-08-31243 мол_а и «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».

ИМПУЛЬСНАЯ НАНОСЕКУНДНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА С КОМБИНИРОВАННЫМ ВОЛЬФРАМО-ГРАФИТОВЫМ АНОДОМ

Аннотация

В статье приводится принципиально новый подход к созданию анода для острофокусной импульсной наносекундной рентгеновской трубки. Предлагается комбинированное исполнение вольфрамо-графитового анодного узла, что позволит увеличить среднюю мощность рентгеновской трубки до 3 кВт. В статье дано теоретическое обоснование предложенного подхода, экспериментально проведена оценка допустимой тепловой нагрузки на анод.

Ключевые слова: рентген, импульсная рентгеновская трубка, анод.

Korzhenevskiy S.R.¹, Komarskiy A.A.², Bessonova. V.A.³, Chepusov A.S.⁴

¹PhD in Engineering, ^2,3,4Junior researcher, Institute of Electrophysics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, ^2,4Postgraduate student, Ural Federal University

PULSED NANOSECOND X-RAY TUBE WITH ANODE MADE OF THE COMBINATION OF TUNGSTEN-CARBON

Abstract

In this paper we present a brand new approach to creating an anode for a sharp-focused pulsed nanosecond x-ray tube. We suggest using a tungsten-graphite anode unit, which will lead to increasing the average power of the x-ray tube up to 3 kW. In this article we provide a theoretical justification of the suggested approach and estimation of allowable heat load for the anode.

Key words: x-ray, pulsed х-ray tube, anode.

ВВЕДЕНИЕ

Исследования, проведенные в ИЭФ УрО РАН в последнее десятилетие, показали перспективность применения в медицинской рентгенодиагностике наносекундных импульсных частотных генераторов рентгеновского излучения[1,2]. Использование таких генераторов делает возможным максимальное использование эффекта послесвечения рентгенолюминесцентных материалов, используемых в усиливающих экранах (слоях), как традиционных пленочных, так и новых цифровых приемниках излучения, что позволяет снизить дозу облучения пациентов при диагностике на порядок и более, по сравнению с рентгеновскими аппаратами постоянного тока[3].

Однако, медицинская диагностика, в отличие от дефектоскопии, требует проведения исследования за ограниченный промежуток времени, определяемый биологическими процессами жизнедеятельности организма. Для импульсных рентгеновских источников напряжением до 150 кВ достигнута средняя выходная мощность не более 1,6 кВт, что затрудняет применение импульсных рентгеновских генераторов для исследования динамически изменяющихся объектов, в частности, биологических объектов. Это требование привело к тому, что импульсные рентгеновские аппараты практически полностью вытеснены из медицинской диагностики аппаратами постоянного тока, работающими при средних выходных мощностях в несколько киловатт.

В данной работе демонстрируется разработанная острофокусная наносекундная импульсная частотная рентгеновская трубка, работающая в повторно-кратковременном режиме, при напряжении до 150 кВ, частоте следования импульсов не менее 1 кГц и средней выходной мощности 2,5-3 кВт. Данная трубка была создана благодаря принципиально новому подходу при разработке анодной части, и превосходит по своим возможностям, как ранее созданные импульсные рентгеновские трубки, так и имеющиеся трубки постоянного тока.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОЙ АНОДНОЙ СИСТЕМЫ

В применяемых в настоящее время острофокусных импульсных рентгеновских трубках анод представляет собой заостренный пруток из вольфрама, закрепленный на медном радиаторе, как показано на рисунке 1 слева. Радиатор устанавливается так, чтобы исключить возможность попадания электронного пучка на него. С учетом того, что малый размер фокусного пятна трубки достигается использованием вольфрамового прутка малого диаметра, имеющего коэффициент теплопроводности всего около 180 Вт/м∙К, значительное удаление медного радиатора от области анода, бомбардируемой электронным пучком, приводит к ограничению допустимой тепловой нагрузки на анод, и как следствие к существенному снижению средней мощности трубки.

Рис. 1 - Схема и фото анода с медным радиатором (слева); схема и фото экспериментального вольфрамо-графитового анода (справа).

 

На сегодняшний день для импульсных рентгеновских источников напряжением до 150 кВ достигнута средняя выходная мощность не более 1,6 кВт при работе в повторно-кратковременном режиме. Впервые, предлагается не использовать радиатор анода, удаленный из области, подвергающейся бомбардировке электронным пучком, а применить комбинированный вольфрамо-графитовый анод. Система представляет собой графитовый стержень с находящимся в центре него вольфрамовым прутком (рисунок 1, справа).

Интенсивность рентгеновского излучения определяется, как

где I_x-ray – интенсивность рентгеновского излучения, k – коэффициент пропорциональности, Z – атомный порядковый номер материала анода, I – сила тока рентгеновской трубки, U – разность потенциалов на электродах рентгеновской трубки. Таким образом, интенсивность прямо пропорционально зависит от атомного номера материала бомбардируемой мишени, следовательно, интенсивность рентгеновского излучения, генерируемого на поверхности графита будет мала в сравнении с интенсивностью излучения, генерируемого на поверхности вольфрама. При условии, что на данные участки приходится одинаковый ток, имеем

где I_x-ray__W, I_x-ray__Gr – интенсивность рентгеновского излучения с поверхности вольфрама и графита соответственно.

Таким образом графит, обладающий высокой теплопроводностью от 278 Вт/м∙К до 2435 Вт/м∙К и находящийся непосредственно в области, бомбардируемой электронным пучком, будет эффективно отводить тепло от вольфрамового прутка, практически не внося вклад в интенсивность рентгеновского излучения. Использование такой конструкции анода исключает возможность применения медного радиатора вместо графитового, т.к.

то есть при одинаковом распределении тока по поверхности радиатора, рентгеновское излучение с медного в 4,83 раза будет интенсивнее, чем с графитового.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Эксперимент проведен на установки с безмасляной системой откачки, при давлении в камере 10^-7 тор. Генератор высоковольтных импульсов имеет следующие параметры: амплитуда импульса напряжения U_a = 140 кВ, частота следования импульсов до 5 кГц, длительность импульса порядка 20 нс. На видеокамеру производится запись инерционных тепловых процессов, происходящих на аноде во время работы рентгеновской трубки. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 2.

Рис. 2 - Схема экспериментальной установки

При первой установке рентгеновской трубки с комбинированным вольфрамо-графитовым анодом проведена ее тренировка. Этот процесс способствует чистке и обезгаживанию рабочих поверхностей.

При испытании на допустимую тепловую нагрузку, комбинированный вольфрамо-графитовый анод, как и ожидалось, демонстрирует прекрасные характеристики. При средней мощности 2,5 кВт и времени экспозиции t = 1 с не наблюдается локальный перегрев вольфрамовой части анода и ее разлет. В случаях с применением анода с медным радиатором или просто вольфрамового стержня без радиатора на видео наблюдается превышение по допустимой тепловой нагрузке и видны треки разлетающегося материала анода. Анод с медным радиатором выдерживает нагрузку 1,6 кВт при t = 1 с, а анод без радиатора лишь 0,1 кВт за то же время экспозиции. На рисунке 3.а 3.б показаны аноды в момент превышения допустимой мощности, а на рисунке 3.в показана стабильная работа комбинированного катода при средней мощности 2,5 кВт.

Рис. 5 – Фото анодов во время работы

 а), б) разлет материала анода, в) стабильная работа

Таким образом, комбинированный вольфрамо-графитовый анод демонстрирует стабильную работу после наработки 10⁵ импульсов при средней мощности более 2 кВт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана принципиально новая анодная система для острофокусной импульсной рентгеновской трубки, основанная на изменении конструкции и применении графита в качестве радиатора. Благодаря комбинированному вольфрамо-графитовому аноду средняя мощность рентгеновской трубки повысилась до 3 кВт.

Размер эффективного фокусного пятна трубки определяется только размером части анода, изготовленной из вольфрама, что позволяет создавать мощные микрофокусные рентгеновские трубки. Данная анодная система обладает повышенной износостойкостью в сравнении с предыдущими аналогами.

Литература

1. Filatov A.L., Bastrikov V.L., Korzhenevskiy S.R., Kuznetsov V.L., Ponikarovskikh A.E. Universal mobile X-ray apparatus. Patent RF, No 64153, MPKO 24-01; 2007 Russian.
2. Filatov D.L., Korzhenevski S.R., Kuznetsov V.L., Ananin M.V., Motovilov V.A. The nanosecond PP x-ray apparatus. 15TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON HIGH-POWER PARTICLE BEAMS – PROCEEDINGS, BEAMS-2004, Petersburg, 552-554.
3. . A.A. Komarskiy, A.S. Chepusov, V.L. Kuznetsov, S.R. Korzhenevskiy, S.P. Nikulin, S.O. Cholakh Reducing Radiation Dose By Using Pulse X-Ray Apparatus. Journal of Biosciences and Medicines. Vol.2, N. 2, 2014.