RU2237944C2

RU2237944C2 - X-ray tube

Info

Publication number: RU2237944C2
Application number: RU2002120598A
Authority: RU
Inventors: М.А. Кумахов (RU); М.А. Кумахов; М.Л. Чибель (RU); М.Л. Чибель
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Институт рентгеновской оптики"
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-10-10
Also published as: RU2002120598A

Abstract

FIELD: roentgen rays generation.

SUBSTANCE: proposed X-ray tube has vacuum envelope with output aperture disposed in barrel-shaped depression in side wall of envelope; the latter accommodates electron source (cathode), focusing system, and reflecting target whose metal is applied to substrate (anode). The latter has radial recess that falls short of electron beam axial line extension (aligned with tube axis), and edge of reflecting target surface abuts against edge of anode recess. Proposed design ensures short distance between focal spot and output aperture surface and enables use of tube in conjunction with short-focus X-ray lenses. At the same time power typical of reflecting anode tubes is maintained at same level.

EFFECT: reduced distance between reflecting-target focal spot and output aperture without reducing tube power.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к рентгеновской технике, более конкретно к средствам для генерирования рентгеновского излучения, а именно к рентгеновским трубкам.The invention relates to x-ray technology, and more particularly to means for generating x-ray radiation, namely, x-ray tubes.

Известны рентгеновские трубки с отражательной мишенью (Рентгенотехника. Справочник. Книга 1. - М.: Машиностроение, 1992, с.90-121 [1]), содержащие вакуумную оболочку, источник электронов, фокусирующую электронно-оптическую систему, мишень для получения рентгеновского излучения и выводное окно. Мишень представляет собой слой металла (Сu, Ag, Мо, W и др.), нанесенный на массивную подложку, имеющую принудительное жидкостное или газовое охлаждение. Мишень ориентирована так, чтобы плоскость поверхности мишени составляла некоторый угол с осью пучка электронов со стороны выводного окна. Выводное окно выполняется из металла с малым атомным номером и закреплено в оболочке трубки в области анода.Known x-ray tubes with a reflective target (X-ray engineering. Handbook. Book 1. - M .: Mashinostroenie, 1992, p.90-121 [1]) containing a vacuum shell, an electron source, a focusing electron-optical system, a target for obtaining x-ray radiation and output window. The target is a metal layer (Cu, Ag, Mo, W, etc.) deposited on a massive substrate having forced liquid or gas cooling. The target is oriented so that the plane of the target surface makes up a certain angle with the axis of the electron beam from the side of the exit window. The exit window is made of metal with a small atomic number and is fixed in the shell of the tube in the region of the anode.

Недостатком такой конструкции является значительное расстояние от фокального пятна до поверхности выводного окна. Это приводит, в частности, к невозможности использования трубки совместно с короткофокусными рентгеновскими линзами.The disadvantage of this design is the significant distance from the focal spot to the surface of the output window. This leads, in particular, to the inability to use the tube in conjunction with short-focus x-ray lenses.

Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция рентгеновской трубки, описанная в патенте США №6 282 263 (опубл. 28.08.01) [2]. Рентгеновская трубка по патенту [2] содержит вакуумную оболочку с выводным окном. Внутри вакуумной оболочки размещены источник электронов, фокусирующая система и отражательная мишень, расположенная на торце теплоотводящей подложки, обращенном в сторону источника электронов. Перед мишенью установлена диафрагма. Выводное окно выполнено в виде рентгенопрозрачного трубчатого элемента, являющегося частью боковой стенки вакуумной оболочки и окружающего отражательную мишень.Closest to the proposed is the design of the x-ray tube described in US patent No. 6,282,263 (publ. 08/28/01) [2]. The x-ray tube according to the patent [2] contains a vacuum shell with an exit window. An electron source, a focusing system, and a reflective target located at the end of the heat sink substrate facing the electron source are placed inside the vacuum shell. A diaphragm is installed in front of the target. The exit window is made in the form of an X-ray transparent tubular element, which is part of the side wall of the vacuum shell and surrounding the reflective target.

Данная рентгеновская трубка специально конструируется так, чтобы к выводному окну снаружи можно было вплотную подвести вход устройства для фокусировки рентгеновского излучения. В одном лучших из приведенных в патенте [2] примеров при использовании отражательной мишени расстояние от фокального пятна до наружной поверхности выводного окна составляет 7 мм.This X-ray tube is specially designed so that the input of the device for focusing X-ray radiation can be brought close to the output window from the outside. In one of the best examples cited in the patent [2], when using a reflective target, the distance from the focal spot to the outer surface of the exit window is 7 mm.

Такое расстояние не всегда приемлемо при использовании рентгеновской трубки совместно с короткофокусной рентгеновской линзой. Однако возможность уменьшения его в известной конструкции по патенту [2] ограничена вследствие того, что выводное окно расположено в боковой стенке вакуумной оболочки трубки, внутри которой находится мишень, размещенная на теплоотводящей подложке. Поэтому выводное окно не может находиться от фокального пятна на расстоянии, меньшем, чем радиус теплоотводящей подложки с размещенной на ней мишенью. Уменьшение же радиуса подложки с мишенью для приближения к ее центру той части вакуумной оболочки, которой является выходное окно в виде трубчатого элемента, повлекло бы за собой уменьшение механической прочности трубки. Кроме того, уменьшение поперечных размеров теплоотводящей подложки привело бы к ухудшению теплоотвода от мишени и уменьшению мощности трубки.This distance is not always acceptable when using an x-ray tube in conjunction with a short-focus x-ray lens. However, the possibility of reducing it in the known design according to the patent [2] is limited due to the fact that the exit window is located in the side wall of the vacuum shell of the tube, inside which there is a target placed on a heat sink substrate. Therefore, the exit window cannot be located from the focal spot at a distance less than the radius of the heat sink substrate with the target placed on it. A decrease in the radius of the substrate with the target in order to approach the center of that part of the vacuum shell, which is the exit window in the form of a tubular element, would entail a decrease in the mechanical strength of the tube. In addition, a decrease in the transverse dimensions of the heat sink substrate would lead to a deterioration in heat removal from the target and a decrease in tube power.

Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в обеспечении малого расстояния между фокальным пятном отражательной мишени и поверхностью выводного окна без уменьшения мощности трубки.The present invention is aimed at obtaining a technical result, which consists in ensuring a small distance between the focal spot of the reflective target and the surface of the output window without reducing the power of the tube.

Для достижения этого технического результата предлагаемая рентгеновская трубка, как и указанная выше известная, наиболее близкая к ней, содержит вакуумную оболочку с выводным окном, выполненным в ее боковой поверхности, и размещенные внутри вакуумной оболочки источник электронов, фокусирующую систему и теплоотводящую подложку с мишенью, расположенной на торце теплоотводящей подложки, обращенном в сторону источника электронов.To achieve this technical result, the proposed x-ray tube, as well as the above known one, closest to it, contains a vacuum shell with an outlet window made in its side surface, and an electron source placed inside the vacuum shell, a focusing system and a heat-removing substrate with a target located at the end of the heat sink substrate facing the electron source.

В отличие от упомянутой известной рентгеновской трубки, в предлагаемой рентгеновской трубке обращенный к источнику электронов торец теплоотводящей подложки имеет радиальную выемку, не доходящую до продолжения осевой линии пучка электронов. Выводное окно размещено в углублении, которое выполнено в боковой стенке вакуумной оболочки и входит своей более удаленной от источника электронов частью в указанную выемку теплоотводящей подложки. К краю этой выемки примыкает край поверхности мишени.Unlike the aforementioned known X-ray tube, in the proposed X-ray tube the end face of the heat sink substrate facing the electron source has a radial recess not extending to the continuation of the center line of the electron beam. The exit window is located in the recess, which is made in the side wall of the vacuum shell and enters with its part farther from the electron source into the specified recess of the heat-removing substrate. The edge of the target surface is adjacent to the edge of this recess.

Описанное выполнение позволяет приблизить выводное окно практически вплотную к краю мишени. Так как край мишени, примыкающий к краю выемки в теплоотводящей подложке, оказывается приближенным к осевой линии пучка электронов, расстояние от центра фокусного пятна до выводного окна соизмеримо с радиусом пучка электронов и не зависит от размеров теплоотводящей подложки и мишени.The described implementation allows you to bring the output window almost close to the edge of the target. Since the edge of the target adjacent to the edge of the notch in the heat sink is close to the centerline of the electron beam, the distance from the center of the focal spot to the exit window is comparable with the radius of the electron beam and does not depend on the size of the heat sink and the target.

Предпочтительным является такое выполнение выемки в теплоотводящей подложке, когда она имеет плоский участок, касательный к продолжению пучка электронов, и при этом выводное окно параллельно указанному плоскому участку выемки в теплоотводящей подложке, а поверхность мишени наклонена в сторону выводного окна.It is preferable to make such a notch in the heat sink substrate when it has a flat portion tangential to the continuation of the electron beam, and the exit window is parallel to the indicated flat portion of the groove in the heat sink substrate, and the target surface is inclined toward the output window.

При таком выполнении может быть достигнуто наибольшее приближение выводного окна к центру фокального пятна.With this embodiment, the closest approach of the exit window to the center of the focal spot can be achieved.

Предлагаемое изобретение в одном из возможных конкретных вариантов его выполнения поясняется чертежами:The invention in one of the possible specific variants of its implementation is illustrated by the drawings:

на фиг.1 изображена рентгеновская трубка в разрезе;figure 1 shows an x-ray tube in section;

на фиг.2 в более крупном масштабе показаны части углубления в боковой поверхности вакуумной оболочки, выемки в теплоотводящей подложке и мишени с падающим на нее пучком электронов.figure 2 on a larger scale shows part of the recess in the side surface of the vacuum shell, the recesses in the heat sink substrate and the target with an incident electron beam.

Рентгеновская трубка (фиг.1) содержит вакуумную оболочку 1, источник электронов - катод 2, фокусирующий электрод 3, диафрагму 4 и теплоотводящую подложку - массивный анод 5 с нанесенным на него металлом мишени 6. В боковой стенке вакуумной оболочки 1 выполнено углубление, представляющее собой стакан 7. В стенке стакана 7, обращенной к продольной оси 8 трубки, размещено выводное окно 9. Выводное окно не доходит до продолжения осевой линии пучка электронов, совпадающей в показанном на фиг.1 случае с продольной осью 8 трубки, примерно на величину радиуса r пучка электронов. Анод 5 выполнен с радиальной выемкой 10 (на фиг.1 показана штриховой линией) в его торцевой части, обращенной в сторону катода 2. Боковая поверхность выемки 10 близка по форме к полуцилиндру. В этой радиальной выемке находится более удаленная от катода 2 половина стакана 7 (правая по фиг.1). Анод 5 может иметь принудительное жидкостное или воздушное охлаждение (средства охлаждения на чертеже не показаны).The x-ray tube (Fig. 1) contains a vacuum shell 1, an electron source - a cathode 2, a focusing electrode 3, a diaphragm 4 and a heat-removing substrate - a massive anode 5 with a target metal deposited on it 6. A recess is made in the side wall of the vacuum shell 1, which is a cup 7. In the wall of the cup 7, facing the longitudinal axis 8 of the tube, there is an exit window 9. The exit window does not reach the extension of the axial line of the electron beam, which coincides in the case shown in FIG. 1 with the longitudinal axis 8 of the tube, by approximately the value of the radius and r is the electron beam. The anode 5 is made with a radial recess 10 (shown in Fig. 1 by a dashed line) in its end portion facing the side of the cathode 2. The lateral surface of the recess 10 is close in shape to the half cylinder. In this radial recess is located more remote from the cathode 2 half of the glass 7 (right in figure 1). The anode 5 may have forced liquid or air cooling (cooling means are not shown in the drawing).

Углубление в вакуумной оболочке 1 в виде стакана 7 предназначено для размещения короткофокусной рентгеновской линзы (или части такой линзы, прилегающей к ее входному торцу) либо малых объектов, подлежащих облучению.The recess in the vacuum shell 1 in the form of a glass 7 is designed to accommodate a short-focus x-ray lens (or part of such a lens adjacent to its input end) or small objects to be irradiated.

В показанном на фиг.1 (и в более крупном масштабе - на фиг.2) варианте выполнения трубки радиальная выемка 10 в аноде 5 имеет плоский участок 11. Этот участок касателен к продолжению пучка 13 электронов, т.е. продолжение образующей 12 пучка электронов, ближайшей к выводному окну 9, лежит в плоскости участка 11. Край 14 поверхности отражательной мишени, примыкающий к краю выемки 10 (линии пересечения упомянутого плоского участка 11 и плоскости торца анода, обращенного к катоду 2) находится от оси пучка электронов (совпадающей в показанном на чертежах случае с продольной осью 8 трубки) на расстоянии, примерно равном радиусу r этого пучка, или, что то же самое - радиусу фокального пятна. Благодаря этому пучок 13 электронов полностью попадает на мишень 6 и не тормозится в выводном окне 9. Поверхность отражательной мишени 6 и поверхность торца анода 5 (левого по фиг.1), на которую нанесена мишень, наклонены в сторону выводного окна 9, т.е. образуют с плоскостью выводного окна острый угол. Такая ориентация поверхности отражательной мишени улучшает условия вывода индуцированного излучения из фокального пятна через окно 9.In the tube embodiment shown in FIG. 1 (and on a larger scale, FIG. 2), the radial recess 10 in the anode 5 has a flat portion 11. This portion is tangent to the continuation of the electron beam 13, i.e. the continuation of the generatrix 12 of the electron beam closest to the exit window 9 lies in the plane of section 11. The edge 14 of the surface of the reflective target adjacent to the edge of the recess 10 (the line of intersection of the said flat section 11 and the plane of the end face of the anode facing the cathode 2) is located from the beam axis electrons (coinciding in the case shown in the drawings with the longitudinal axis 8 of the tube) at a distance approximately equal to the radius r of this beam, or, equivalently, to the radius of the focal spot. Due to this, the electron beam 13 completely hits the target 6 and does not slow down in the exit window 9. The surface of the reflective target 6 and the surface of the end face of the anode 5 (left in FIG. 1), on which the target is applied, are inclined towards the exit window 9, i.e. . form an acute angle with the plane of the exit window. This orientation of the surface of the reflective target improves the conditions for the output of induced radiation from the focal spot through window 9.

Из сказанного выше о взаимном расположении выводного окна 9, выемки 10 и мишени 6 видно, что дальнейшее уменьшение расстояния между выводным окном и фокальным пятном на мишени невозможно. Фактически это расстояние становится близким к расстоянию, характерному для рентгеновских трубок с мишенью прострельного типа и не зависит от размеров анода и мишени.From the above about the relative position of the exit window 9, the recess 10 and the target 6, it can be seen that a further decrease in the distance between the exit window and the focal spot on the target is impossible. In fact, this distance becomes close to the distance characteristic of x-ray tubes with a shooting type target and does not depend on the size of the anode and the target.

Пучок электронов в описываемой рентгеновской трубке может иметь в поперечном сечении не только круглую форму, но и форму вытянутого прямоугольника и формировать на мишени так называемый линейный фокус. В этом случае минимальное расстояние от геометрического центра фокального пятна до выводного окна 9 имеет место при ориентации линейного фокуса параллельно краю 14 мишени 6, примыкающему к краю радиальной выемки в аноде 5, т.е. перпендикулярно к плоскости чертежа.The electron beam in the described x-ray tube can have in cross section not only a circular shape, but also the shape of an elongated rectangle and form a so-called linear focus on the target. In this case, the minimum distance from the geometric center of the focal spot to the exit window 9 occurs when the linear focus is oriented parallel to the edge 14 of the target 6, adjacent to the edge of the radial recess in the anode 5, i.e. perpendicular to the plane of the drawing.

Предлагаемая рентгеновская трубка работает следующим образом. При подаче питающих напряжений в области катода 2 с помощью фокусирующего электрода 3 формируется сходящийся электронный пучок, который ускоряется в направлении диафрагмы 4, проходит эквипотенциальное пространство и тормозится в мишени 6, индуцируя рентгеновское излучение. Часть этого излучения выходит через выводное окно 9 и может быть собрана рентгеновской линзой, расположенной в полости стакана 7 или воздействовать на облучаемый объект, помещенный в эту полость.The proposed x-ray tube works as follows. When applying voltage in the region of the cathode 2 using a focusing electrode 3, a converging electron beam is formed, which is accelerated in the direction of the diaphragm 4, passes through the equipotential space and is decelerated in the target 6, inducing x-ray radiation. Part of this radiation exits through the exit window 9 and can be collected by an x-ray lens located in the cavity of the glass 7 or act on the irradiated object placed in this cavity.

В случае использования предлагаемого технического решения в конструкции рентгеновских трубок повышенной мощности (1кВт и более) выводное окно может быть отодвинуто от плоскости выемки на расстояние порядка 0,2-1 мм, чтобы обеспечить тепловую развязку от анода.In the case of using the proposed technical solution in the design of high-power x-ray tubes (1 kW or more), the exit window can be moved away from the recess plane by a distance of about 0.2-1 mm to provide thermal isolation from the anode.

В реально испытанных трубках мощностью 50 Вт и выше плоскость 11 выемки 10 не доходила до оси электронного пучка 13 на расстояние менее 0,3 мм, минимальное расстояние от этой плоскости до внутренней поверхности выводного окна составляло 0,2 мм, а угол его наклона относительно продольной оси трубки - 2°.In really tested tubes with a power of 50 W and higher, the plane 11 of the recess 10 did not reach the axis of the electron beam 13 at a distance of less than 0.3 mm, the minimum distance from this plane to the inner surface of the exit window was 0.2 mm, and its angle of inclination relative to the longitudinal tube axis - 2 °.

Таким образом, техническое решение по предлагаемому изобретению позволяет создать рентгеновскую трубку с анодом отражательного типа, имеющую минимально возможное расстояние между фокальным пятном и внутренней поверхностью выводного окна.Thus, the technical solution according to the invention allows to create an x-ray tube with a reflective type anode having the smallest possible distance between the focal spot and the inner surface of the exit window.

Источники информацииSources of information

1. Рентгенотехника. Справочник. Книга 1. М.: Машиностроение, 1992, с.90-121.1. X-ray engineering. Directory. Book 1. M .: Mechanical engineering, 1992, p.90-121.

2. Патент США №6282263, опубл. 28.08.01.2. US Patent No. 6282263, publ. 08/28/01.

Claims

1. Рентгеновская трубка, содержащая вакуумную оболочку с выводным окном, выполненным в ее боковой стенке, и размещенные внутри вакуумной оболочки источник электронов, фокусирующую систему и отражательную мишень с теплоотводящей подложкой, отличающаяся тем, что обращенный к источнику электронов торец теплоотводящей подложки имеет радиальную выемку, не доходящую до продолжения осевой линии пучка электронов, выводное окно размещено в углублении, которое выполнено в боковой стенке вакуумной оболочки и входит своей более удаленной от источника электронов частью в указанную выемку теплоотводящей подложки, а край поверхности отражательной мишени примыкает к краю этой выемки.1. An x-ray tube containing a vacuum shell with an exit window made in its side wall, and an electron source placed inside the vacuum shell, a focusing system and a reflective target with a heat sink substrate, characterized in that the end face of the heat sink substrate facing the electron source has a radial recess, not reaching the continuation of the axial line of the electron beam, the exit window is placed in a recess, which is made in the side wall of the vacuum shell and enters its more remote from the source electrons nick portion into said recess heat conductive substrate, and surface reflectance of the target region adjacent to the edge of the recess.

2. Рентгеновская трубка по п.1, отличающаяся тем, что радиальная выемка в теплоотводящей подложке имеет плоский участок, касательный к продолжению пучка электронов, выводное окно параллельно указанному плоскому участку радиальной выемки в теплоотводящей подложке, а поверхность отражательной мишени наклонена в сторону выводного окна.2. The x-ray tube according to claim 1, characterized in that the radial notch in the heat sink substrate has a flat portion tangent to the continuation of the electron beam, the exit window is parallel to the indicated flat portion of the radial groove in the heat sink substrate, and the surface of the reflective target is inclined toward the output window.