автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Разработка методов расчета и конструкций специализированных микрофокусных рентгеновских трубок

РГ6 од

- 5 ИЮН 1985

На правах рукописи

Новосельцева Анастасия Станиславовна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И КОНСТРУКЦИЙ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ МИКРОКЖУСНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ ТРУБОК

Специальность^.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете имени В.И.Ульянова /Ленина/

Научный руководитель -

заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук профессор Быстров.Ю.А.

Официальные оппоненты -

^доктор технических наук профессор Молоковский С.И. кандидат технических наук Мазуров А.И.

Ведущая органивация - АОЗТ "Светлана - Рентген".

Защита состоится 1995 года в /^"часов на

заседании диссертационного совета К 063.36.09 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И.Ульянова /Ленина/ по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф.Попова,5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " !$ 1995

Ученый секретарь диссертационного совета

Смирнов Е, А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди технических средств, применяемых для неразрушаощегс контроля качества промышленной продукции, исследования кристаллической структуры материалов, медицинской диагностики и других целей, важное место занимает портативная микрофокусная рентгеновская аппаратура. Функциональные возможности аппаратуры в решающей степени зависят от параметров ее основного, элемента - рентгеновской трубки.

Раавитие микрофокусных рентгеновских трубок в настоящее время идет как по пути создания приборов широкого назначения, так и по пути создания специализированных конструкций, предназначенных для решения определенных задач в той или иной области и в наибольшей степени отвечающих требованиям этих вадач. В последние годы возникла настоятельная потребность в микрофокусных трубках для специальных стоматологических исследований, технической вычислительной микротомографии, измерения механических напряжений в металлоконструкциях.

Некоторые аадачи в области челюстно-лицевой хирургии и стоматологии (панорамная рентгенография лицевых костей черепа, получение в один прием снимка всех вубов верхней и нижней челюстей и другие) могут быть решены, если источник излучения -фокусное пятно рентгеновской трубки - расположить непосредственно в полости рта. Для 'этого необходимы специальные микрофокусные трубки с вынесенным анодом, установленным в конце доста-.точно длинной полой анодной трубы небольшого диаметра, имеющие соответствующую диаграмму направленности излучения.

Для вычислительных микротомографов требуются микрофокусные рентгеновские трубки на напряжение 150 кВ и более с высокой интенсивностью рабочего пучка излучения. В применяемых в настоящее время трубках с "классическим" прострельным анодом (с бе-риллиевой подложкой) достигнуты предельные значения мощности. Поэтому для сокращения дорогостоящего времени получения послойных изображений исследуемого объекта необходимо создать трубки с прострельными анодами других типов, обеспечивающими решение проблемы повышения интенсивности излучения.

Исключительно важное техническое и социальное значение

имеет контроль механических напряжений в элементах конструкций атомных и тепловых электростанций, летательных аппаратов, мостовых сооружений и других ответственных объектов. Замена рентгеновскими трубками гамма-активных нуклидов, применяемых в настоящее время в качестве источника излучения в переносной ди<&-рактометрической аппаратуре для измерения напряжений, не только расширяет возможности ее использования, но и решает проблемы, связанные с заменой, транспортировкой и захоронением нуклидов, и облегчает обеспечение радиационной защиты обслуживающего персонала. ,

Решению комплекса вопросов, связанных с созданием трубок для перечисленных выше областей медицины и техники и посвящена работа.

Цель работы. Разработка методов расчета, принципов построения и конструкций микрофокусных рентгеновских трубок для стоматологии, микротомогргфии и измерения механических напряжений; изготовление, испытание и внедрение разработанных трубок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1., Определена эффективная толщина ослабляющего слоя тяжелоатомных мишеней прострельных анодов.

2. Предложен простой метод расчета мощности экспозиционной дозы тормозного излучения рентгеновских трубок с прострельными анодами. , .

3. Решены краевые задачи теплопроводности для массивных и прострельных анодов микрофокусных трубок, не имеющих специальных охлаждающих устройств, в том числе для прострельных анодов трубок с линейным фокусным пятном.

4. Определена номинальная мощность рентгеновских трубок с подложкой прострельного анода из синтетического- алмаза; рассчитан .выигрыш в интенсивности тормозного и.характеристического излучения, , который может быть обеспечен при замене в трубках бериллиёвой цодлочки анода подложкой из алмаза.

5..Предложены конструкции прострельных анодов с теплоотво-дящим слоем иа' меди; теоретически показано и экспериментально подтверждено, что использование таких анодов позволяет создать

микрофокусные трубки на номинальное напряжение 150 кВ и выше с существенно более высокой интенсивностью рабочего пучка, чем у соответствующих трубок с "классическим" прострельным анодом.

Практическая ценность работы,

1. Использование разработанных методов расчета параметров микрофокусных рентгеновских трубок позволяет повысить технический уровень проектируемых приборов, сократить время, затрачиваемое на проектирование, и материальные расходы на моделирование и макетирование.

2. Использование предложенных конструкций проетрельных анодоЬ с теплоотводящим слоем из меди дает возможность значительного увеличения интенсивности излучения высоковольтных микрофокусных рентгеновских трубок по сравнению с серийными приборами.

3. На основе выполненного анализа ■ и экспериментальных исследований разработаны и внедрены в производство новые, не имеющие зарубежных аналогов конструкции специализированных микрофокусных рентгеновских трубок технического и медицинского назначения .

Научные положе.щя,выносимые на защиту.

1. Эффективна! толщина ослабляющего слоя тяжелоатомной мишени прострельного анода рентгеновской трубки может быть определена для фотонов тормозного излучения разной энергии е как Хщ(е) = Ьм(ис) - 0,25хэ(U), где hM(Uc) - толщина мишени,, рассчитанная для.среднего в рабочем диапазоне значения напряжения Uci Xg(U) - средний пробег электронов в веществе мишени при напряжении на трубке U < (1,4 - 1,5)UC.

2. Учет низкоэнергетической границы непрерывного спектра, обусловленной самопоглощением излучения в мишени прострельного анода рентгеновской трубки, позволяет, используя формулу Кра-мерса, создать простую методику расчета мощности экспозиционной дозы излучения для диапазона напряжения нп. трубке 40 - 100. кВ.

.. 3. Замена в микрофокусных рентгеновских трубках на напряжение 150кВ и выше бериллиевой подложки прострельного анода на подложку из медной фольги, имеющую меньшую прозрачность к рейт-

геновскому излучению, но более высокую теплопроводность, позволяет путем увеличения мощности электронного пучка трубки существенно повысить интенсивность излучения; выигрыш в интенсивности тем больше, чем выше напряжение на трубке и меньше диаметр фокусного пятна, и может достигать 2-х раз и более.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной ра-.боты докладывались и обсуждались на

• - Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития рентгеновских трубок и аппаратуры", Л., 1990;

- Четвертой международной конференции по электронно-лучевым технологиям, Варна, Болгария, 1994;

- Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета, 1992-1995 гг.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ (из них 7 статей, 1 доклад на международной конференции).

Реализация и внедрение результатов.

Результаты диссертационной работы внедрены и ' используются в АОЗТ "Светлана - Рентген" и МП "Злтех" (г. С-Петербург); АОЗТ ШЛО "Спектр" (г. Москва).

Структура и объем работы.

Диссертация.^состоит из введения, пяти глав,- заключения и списка литературы, включающего 98 наименований. Основная часть работы изложена на 152 станицах машинописного текста. Работа содержит 45 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе, носящей обзорный характер, рассмотрены области применения микрофокусных рентгеновских трубок, особенное-

ти их конструкций и тенденций развития.

Микрофокусные трубки позволяют получать теневые проекции исследуемых объектов с высоким разрешением и со значительным прямым рентгеновским увеличением. Это, как показано в работе, предопределило их широкое использование в таких областях как проекционная микроскопия, микродефектоскопия, вычислительная микротомография, диагностика качества семян, медицинская диагностика (травматология, маммография, ортопедия). Эти приборы с успехом применяются также в рентгеноструктурных исследованиях (в частности, при анализе структуры кристаллов методом псевдо-косселевских. линий), при реставрации культурных ценностей, в судебно-медицинской практике и т.д.

Основными типами современных микрофокусных трубок являются приборы с прострельными и массивными анодами, установленными в конце вынесенной полой анодной трубы, на которой располагается фокусирующий магнит. Приборы с прострельными анодами характеризуются .очень малым (порядка 1 мм) фокусным расстоянием. Показано, что основными тенденциями в развитии микрофокусных трубок являются: увеличение мощности при сокращении размеров фокусного пятна; увеличение номинального напряжения; создание специализированных конструкции приборов.

Вторая глава посвящена разработке методов расчета радиационных параметров (спектра,' интенсивности, мощности экспозиционной дозы, диаграммы направленности излучения) рентгеновских трубок с массивными и прострельными анодами. Отмечено, что известные методы не позволяют в рамках единого подхода выполнить расчет всех основных радиационных параметров трубок как с массивными, так и с прострельными анодами.От указанного недостатка свободен разработанный в диссертации метод.

Для расчета спектра тормозного излучения трубок предложено использовать формулу Крамерса с поправками на ослабление излучения в материале мишени (так называемый эффект самопоглощения). Для наиболее распространенного типа микрофокусных трубок - приборов с прострельными анодами - получена поправка в виде

где е

цп(£) = ехр{-цм(е)[Мис) - 0,25хэ(и)]/созо(> , - энергия фотонов в спектре излучения; ^(е) - линейный

коэффициент ослабления материала мишени; hM(Uc) - толщина мишени, рассчитанная для среднего в рабочем диапазоне значения напряжения на трубке Uc; xa(U) - средний пробег электронов в материале мишени при напряжении на трубке U; <х - измеренный относительно нормали к наружной поверхности подложки прострельного анода угол выхода рабочего пучка излучения; U < (1,4 - 1,5)UC.

Для массивных анодов при напряжениях на трубке До 80кВ в литературе приводится следующая поправка на ослабление излучения. в мишени

H(E) = ехр[-^(е)рхэ(и)со5*/созф] , где р =0,15-0,2; ф и ф - измеренные относительно нормали к поверхности мишени угол падения электроьного пучка и угол выхода пучка рентгеновского излучения.В работе показано,что для тяжелоатомных мишоней (74W, 75Re) при р » 0,2 поправка указанного вида может быть использована в расчетах спектров и при более высоких напряжениях, вплоть до 150кВ.

С использованием поправок ип(е) и г((е) получены выражения для расчета спектров , интенсивности I и мощности экспозиционной дозы Pd тормозного излучения , а также угловых распределений интенсивности и мощности дозы для трубок с прострельными (Fn(cO = I(et)/1(0) и fn(ci) = Pd(«0/Pd(0)) и массивными (F(qt) = 1(ф)/1(0) и f(?) « Pd(9)/Pd(0)) анодами. Практические расчеты по полученным формулам выполнялись с помощью разработанных программ для ЭВМ.

Приведены результаты анализа энергетических спектров и спектрального распределения мощности экспозиционной дозы трубок с массивными и прострельными анодами, диаграмм углового распределения интенсивности и мощности дозы их излучения. Показано, в частности, что по мере увеличения угла а уменьшение мощности дозы излучения трубок с прострельными анодами происходит сильнее, чем уменьшение интенсивности. Это объясняется увеличением фильтрации низкоэнергетической части спектра, в которой массовый коэффициент передачи энергии для воздуха ïemte) имеет большие значения.

Разработана приближенная методика расчета мощности экспозиционной дозы излучения трубок с прострельными анодами. Она учитывает, что в следствие самопоглощения излучения в мишени н

ослабления в бериллиевой подложке прострельного анода спектр "срезан" в низкоэнергетической области. Путем аппроксимации табличной зависимости Гепи от по методу наименьших квадратов найдено аналитическое выражение, описывающее эту зависимость. На основе формулы Крамерса и этого выражения получено (с учетом низкоэнергетической границы спектра) простое соотношение, позволяющее рассчитать мощность экспозиционной дозы излучения трубки при заданном режиме ее работы. Измерение мощности дозы излучения различных типов промышленных рентгеновских трубок с прострельными анодами, выполненные в диапазоне 40-100 кВ, подтвердили пригодность полученного соотношения для практических расчетов этого параметра.

В третьей главе рассмотрены тепловые процессы в анодах микрофокусных рентгеновских трубок. Как .известно, номинальная мощность тр/бок Р0 лимитирована нагревом их анодов. Поэтому для определения этого параметра необходимо исследовать'тепловой режим анодов. -

Отмечено, что номинальная мощность трубок с массивными и прострельными вынесенными анодами не может, как правило, превышать 10-12 Вт вследствие сильного нагрева окончания пролетной трубы. Применение для уменьшения нагрева анодных охладителей в большинстве случаев оказывается невозможным из-8а специфики использования трубок.

Сформулированы и решены краевые задачи теплопроводности, описывающие температурныегполя в массивных ,и прострельных анодах трубок с круглым фокусным пятном и прострельных анодах трубок с линейным фокусным пятном. Решения получены методом Фурье для различных распределений тепловой нагрузки в фокусных пятнах.

С помощью критериального уравнения, описывающего теплоотдачу плоских поверхностей при естественной конвекции, показано, что при анализе нагрева прострельных анодов микрофокусных трубок теплоотводом черев их наружное основание можно пренебречь, то есть . считать, что на этом основании задано однородное граничное условие 2-го рода.

При расчете нагрева прострельных анодов трубок с линейным фокусным пятном, учитывалось, что отношение ширины фокусного

пятна с1 к его длине невелико и составляет обычно 0,1-0,2. Это позволило считать, что тепло, выделяющееся в фокусном пятне при торможении электронного пучка, отводится к периферии анода лишь в направлении малой оси фокусного пятна. Таким образом, исходная трехмерная задача о нагреве цилиндра диаметром 0 и высотой Н сведена к двумерной задаче о нагреве бесконечно.длинной пластины шириной 0 и толщиной Н:

ДТ(Х,2) = О;

ЭТ 8Т

Т I = Т0; - * —' I - я(х); . — I =0, Iх=±Б/2 дг \г = 0 дг ¡г = Н

где Т(х,г) - температура пластины; Г0 - температура ее боковой поверхности; Х- коэффициент теплопроводности материала пластины; ч(х) - удельная тепловая нагрузка. •

Решение задачи получено для равномерного распределения удельной нагрузки по ширине фокусного пятна

Рх/й при. |х| < й/г Ч(х) = <• - ' ■"

О при |х| > й/г

и гауссова распределения

Ч(х) = Ра /ь/л • ехр(-Ьх2), ;

где Р1 - - мощность электронного-пучка, приходящаяся на единицу' длины фокусного пятна; Ь - параметр гауссова распределения.

С помощью полученных решений исследованы некоторые особенности нагрева массивных и прострельных анодов', в частности, исследовано влияние на максимальную температуру фокусного пятна характера распределения удельной нагрузки. , .

Полученные решения явились основой для расчета номинальной мощности предложенных в работе специализированных микрофокусных рентгеновских трубок. Номинальная мощность определялась как такое значение подводимой к аноду .мощности, при котором либо

окончание анодной трубы достигает предельной температуры Т0к. либо центр фото/сного пятна достигает предельно-допустимой для данной мишени температуры Тдоп. , либо оба эти значения достигаются одновременно. Исходя из условий эксплуатации микрофокусных трубок, можно принять Ток = 100-120°С. Величина ТДОп зависит от рода материала мишени, способа ее нанесения, требуемой гарантийной Наработки трубок. Для прострелъных анодов с бериллиевой подложкой обычно принимают .'Тдоп .= 350-450°С; для массивных вольфрамовых анодов - 2000-2200°С. •

, Для трубок с "классическими" прострельными анодами рассчитаны и табулированы значения номинальной мощности при различных радиусах фокусного пятна, геометрических размерах анодов и температурах ТДоп- Таблицы используются в АОЗТ "Светлана-Рентген" при проектировании новых трубок.

Четвертая глава посвящена анализу особенностей применения и выбору принципов построения специализированных микрофокусных трубок для стоматологических исследований, вычислительной микротомографии и измерения механических напряжений.

. Для получения панорамных стоматологических снимков необходимо фокусное пятно трубки, как отмечено выше, расположить в полости рта.. Трубки, предназначенные для этой цели, , должны иметь достаточно длинную пролетную трубу.. Конструкция анода должна обеспечивать получение'соответствующим образом ориентированных, равномерных в широком диапазоне углов выхода диаграмм направленности излучения. Выпускное окно трубки, являющееся частью пролетной анодной тр^бы, должно незначительно ослаблять рабочий пучок излучения, но одновременно фильтровать его низкоэнергетическую часть, способную вызвать ожог эпителия полости рта. , • ■ .

Этим требованиям: удовлетворяют трубки с массивным коническим анодом и алюминиевым выпускным окном. Образцы трубок на напряжение 60 кВ и мощность 55 Вт,- реализующие указанный принцип, были созданы в начале 80-х годов, однако не получили применения. В большей степени задачам стоматологических исследований должны удовлетворять, как показано в работе,' трубки на напряжение 100 кВ и мощность ю-12 Вт. ' :

Расчеты, выполненные по разработанным методикам, показали,

что в таких-высоковольтных трубках с углом при вершине вольфрамового конического анода 85-95° угод раствора панорамного рабочего пучка, в пределах которого диаграмма направленности излучения является практически равномерной, составляет 80-85°. При толщине алюминиевого окна 1-1,В мм низкознергетический компонент спектра излучения (е <15кзВ) подавляется практически полностью.

Для вычислительных микротомографов необходимы микрофокусные трубки на'Напряжение 150 кВ и более, имеющие прострельный анод. Одно из основных требований к трубкам - высокая интенсивность пучка .излучения.

Показано, что в микрофокусных трубках с "классическим" прострельным анодом достигнуты предельные значения номинальной мощности. Поэтому дальнейшее увеличение интенсивности их излучения невозможно.. Для увеличения мощности необходимо подложку анода выполнить из материала с более высоким коэффициентом теплопроводности, чем у бериллия. Проблема состоит в том, что материал подложки и ее толщина должны быть выбраны такими, чтобы Увеличение мощности приводило к увеличению интенсивности излучения, поскольку коэффициенты ослабления излучения любых; пригодных материалов превосходят коэффициент ослабления бериллия.;.

В качестве материала подложки прострельного анода уже достаточно давно был предложен синтетический алмаз.. Впервые выполненные в, данной- работе расчеты выигрыша в интенсивности тормозного излучения, который ikacer быть обеспечен при замене в трубке бериллиевой подложки анода подложкой'из синтетического алмаза показали, что при напряжении 100 кВ он составляет, примерно, 2 раза. При решении вопроса о целесообразности такой замены помимо технологических проблем следует учесть, что стоимость трубки с анодом на основе алмаза будет в 2-3 раза выше стоимости серийной трубки с "классическим" анодом.

Как показано в работе, повышение интенсивности микрофркус-ных рентгеновских трубок на напряжение 150 кВ и более может быть достигнуто применением в них прострельных анодов с тепло-отводящим слоем из меди. Предложены двух- и трехслойные аноды на основе медной фольги.

Выполнены расчеты номинальной мощности и интенсивности из-

и -

лучения трубок с предложенными и "классическим" прострельными анодами. Сравнение этих параметров.позволило определить выигрыш N в интенсивности рабочего пучка трубки, который может быть достигнут при замене анодов с подложкой иэ бериллия анодами с теплоотьодявдм слоем из меди. Например, использование анода, •состоящего из слоя вольфрамовой мишени толщиной 7 мкм, нанесенного на медную фольгу толщиной 30 мкм, и герметизирующего бе-риллиевого окнг. толщиной 150 мкм, "обеспечивает при напряжениях 75 и 150 кВ и фокусном пятне диаметром 10 мкм выигрыш 1,9 и 2,3 раза соответственно. При большем фокусном пятне - диаметром 20 мкм - значения N меньше - 1,4 и 1,8 раза. Таким образом, при данной толщине фольги выигрыш в интенсивности тем больше, чем выше напряжение на трубке и меньше диаметр фокусного пятна.

Приведены значения N для анодов с толщиной фольги 30 - 150 мкм при диаметре фокусного пятна d0 - 10 - 100 мкм и напряжениях U = 60 - 150 кВ. Эти данные-позволяют выбрать рациональную конструкцию прострельного анода, в частности, определить толщину фольги, при которой параметр N имеет приемлемое значение при заданных , величинах. d0 и U.

Исходя из ' особенности дифрактометрического метода измерения механических напряжений в металлоконструкциях, сформулированы принципы построения рентгеновских трубок для портативной аппаратуры данного назначения. Особо отменена необходимость жесткой стабилизации положения линейного вкусного пятна на поверхности мишени прострельного анода в процессе работы трубки. Для ее обеспечения предложено использовать (впервые в приборах данного класса) оксидный торцевой катод.

Выбрана конструкция электронно-оптической системы (ЭОС) трубки. Методом траекторного анализа произведен расчет ЭОС. На основе расчета и экспериментов, определены размеры ЭОС, обеспечивающий получение фокусного пятна требуемой величины (0,<Ммм)

Мишень трубок для измерения напряжений должна выполняться из материалов с относительно небольшим атомным номером (24Сг, 26Fe, 29Cu), характеристическое К-излучение которых является длинноволновым, что необходимо для обеспечения когерентного рассеяния этого излучения исследуемым объектом.

В пятой главе описаны конструкции разработанных специали-

зированных микрофокусных рентгеновских трубок, особенности их технологии и результаты испытаний.

Трубка для панорамных стоматологических исследований предназначена для работы в малогабаритном рентгеновском аппарате "Пардус-100", созданном в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете. Ее электронно-оптическая система состоит из трехэлектродной пушки и магнитной линзы (постоянный магнит), который располагается на пролетной трубе прибора. Элементами конструкции пушки являются: Y-образный прямона-кальный катод; изолированный от катода фокусирующий электрод; фланец из нержавеющей стали, имеющий центральное отверстие для пролета электронов и выполняющий функции ускоряющего электрода. К фланцу припаяна анодная пролетная труба длиной 145 мм. выполненная из немагнитных материалов - нержавеющей стали и алюминия. Алюм/чиевая часть пролетной трубы является вцпускным окном трубки.• В конце пролетной трубы установлен конический анод с углом при вершине 90°, выполненный из вольфрама. Баллон трубки - цилиндрический, из стекла марки С52, с одного конца армированный коваровым кольцом. Соединение коварового кольца с фланцем осуществляется "методом лазерной сварки.,

Описан комплекс констр/кторско-технологических мец, направленных на обеспечение надежной юстировки трубки.

Диаметр фокусного пятна трубки 100-200 мкм; мощность -10 Вт-в режиме, повторно-кратковременного включения; номинальное напряжение - 100 кВ,

При, практических испытаниях трубки пыли получены панорамные снимки верхней и нижней челюстей человека. Для этой цели использовался муляж черепа со специальным покрытием, моделирующем мягкие ткани лица. Специалистами стоматологами отмечено высокое качество полученных снимков.

Помимо своего прямого назначения трубка может быть использована для дефектоскопических работ, в частности, контроля мест заделки трубок в трубных досках теплообменных аппаратов, когда фокусное пятно может быть введено в контролируемую полость лишь со стороны доски.

При разработке рентгеновской трубки на напряжение 150 кВ с анодом на основе медной фольги в качестве базовой была исполь-

зована конструкция серийной трубки БС15 с "классическим" прост-рельным анодом.

Электронно-оптическая система разработанной трубки построена по тому же принципу, что и ЭОС вышеописанной трубки с коническим анодом. Она обеспечивает получение на поверхности мишени фокусного пятна диаметром 20 мкм. В разработанной трубке вместо пролетной трубы из нержавеющей стали, используемой в приборах типа БС15, применена труба из меди, что позволило существенно снизить температуру ее окончания, где установлен двухслойный прострельный анод. Он состоит иэ вольфрамовой или рениевой мишени толщиной около 7 мкм, , нанесенной на подложку из медной фольги толщиной 150 мкм.

-- Приведено описание конструкторско-технологических решений, направленных на повышение электрической прочности трубок, которые были реализованы при изготовлении приборов.

Испытания трубки с анодом на осйове медной фольги производились путем просвечивания алюминиевого тест-объекта. В сопоставимых условиях сравнивались' времена просвечивания тест-объекта этой и серийной.трубками при различных напряжениях. Установлено,: что в диапазоне напряжения. 110-150 кВ время просвечивания разработанной трубкой в 1,3-1,8 раза меньше. Аналогичные результаты получены при испытании трубки в макете вычислительного микротомографа, что подтверждено соответствующим актом. Отмечено хорошее совпадение результатов испытаний с результатами расчетов выигрыша в интенсивности излучения при замене в трубке обычного прострельного анода анодом на основе медной фольги.

Ведутся работы по созданию трубок с трехслойными анодами.

Совместно со специалистами АОЗТ "Светлана-Рентген" разработана миниатюрная трубка с прострельным анодом и линейным фокусным пятном. Трубка (тип БС14) освоена в серийном производстве и предназначена для измерения механических напряжений. Габариты трубки: длина - 70, диаметр - 23 мм.

Торцевой оксидный катод и фокусирующий электрод в трубке установлены на держателе в виде полой цилиндрической стойки, которая закреплена на плоской армированной керамической ножке с металлическим штенгелем. Прострельный анод методом диффузионной сварки соединен с медным корпусом, трубки. Стеклянный баллон с

обоих .концов армирован коваровыыи кольцами. С их помощью при заварке трубки осуществляется соединение баллона с корпусом и катодной ножкой. Благодаря такой конструкции обеспечиваются надежная юстировка прибора и малый разброс от трубки к трубке положения фокусного пятна на поверхности мишени, а также стабильность его положения в процессе эксплуатации.

Трубка используется в серийных аппаратах для измерения остаточных напряжений, а также в аппаратах для фазового анализа и разбраковки монокристаллов.

Результаты выполненных теоретических исследований ирполь-зованы также при разработке в АОЗТ "Светлана-Рентген" специализированной рентгеновской трубки для флуоресцентного анализа, ныне выпускаемой серийно (тип ВХВ17). Приводятся результаты расчетов,обосновывающих выбор угла наклона мишени в трубке. Показано, что при угле наклона 20° обеспечивается существенно более высокая интенсивность длинноволнового компонента излучения, чем при обычно используемых углах 60-70°. Этим достигается увеличение эффективности возбуждения флуоресценции легких элементов.

Основные результаты работы.

1. Разработаны методы расчета радиационных параметров ■(энергетического спектра, интенсивности, мощности экспозиционной дозы, угловых распределений интенсивности и мопщости экспог зиционной дозы) рентгеновских'трубок с прострельными и массивными анодами, основанные на использовании формулы Крамерса с поправками на самопоглащение излучения в мишени.

2. Предложен простой метод расчета мощности экспозиционной дозы трубок с прострельными анодами; пригодность метода для практических расчетов подтверждена экспериментальными исследованиями.

3. Сформулированы и решены краевые задачи теплопроводности, описывающие температурные поля в массивных и прострельных анодах микрофокусных трубок, в том числе прострельных анодах трубок с линейными фокусными пятнами; на основе решений, полученных для различных распределений удельной нагрузки в фокусном пятне, исследованы особенности нагрева анодов и рассчитан один

из основных параметров предложенных в работе трубок - величина номинальной мощности.

4. Выполнен расчет выигрыша в интенсивности тормозного и характеристического излучения K-серии, который может быть достигнут в микрофокусных трубках с различными мишенями при замене бериллиевой подложки прострельного анода подложкой из синтети-ческогс? алмаза.

5. Предложены двух- и. трехслойные аноды с теплоотводящим слоем из меди; показано, что их применение в микрофокусных трубках на напряжение 150 кВ и • более вместо "классических" прострельных анодов позволяет достичь увеличения интенсивности тормозного излучения в 2 раза и более.

6.. Исходя из назначения и особенностей применения микрофокусных трубок для панорамных стоматологических исследований, микротомографии и измерения механических напряжений, выбраны и,-обоснованы основные направления разработки их конструкций и технологии изготовления.

7.- Разработаны, изготовлены и внедрены в ряде организаций не имеющие зарубежных аналогов "микрофокусные рентгеновские трубки для стоматологии, вычислительной .микротомографии, измерения механических напряжений в металлоконструкциях и фазового анализа; трубка БС14 для измерения механических напряжений выпускается серийно.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ РАБОТ

1. Новая рентгеновская трубка средней мощности// Электронная техника. Сер.4, 1991, Вып.2-С.64-65. (соавторы: Баженова О.В.. Парфирьев A.C.)

2. Выбор угла наклона мишени рентгеновский трубки средней мощности // Электронная техника. Сер.4, Вып.2.- С.3.(соавторы: Баженова 0.Б., Рыжкова E.H.)

3. Микрофокусная рентгеновская трубка с анодом из фольги// Электронные приборы: Межвуз, сб. науч. тр. / РТТИ.- Рязань, 1992.- С. 64-65. (соавторы: Мухин В.М., Потрахов H.H.)

4. Сравнение радиационных параметров рентгеновских трубок с прострельными анодами различных конструкций // Электронные

прибору:. Межвуз. сб. науч. тр. ./ РТТИ.- Рявань, 1992.- С. 66-68.'

5. Миниатюрная рентгеновская трубка с прострельным анодом // Вакуумная и плазменная электроника: Межвув. сб. науч . тр. / РТТИ.- Рязань. 1993.- С. 91-93.. (соавторы: Баженова О.Б., Назаров И. А.)

6. Приближенный расчет мощности экспозиционной дозы тормозного излучения // Вакуумная и плазменная электроника: Меж-вув. сб. цауч., тр. / РТТИ.- Рязакь, 1993. -С. 98-99.

7. Рентгеновская трубка • с коническим анодом' для микродефектоскопии // Изв. ТЭТУ; Сб. науч. тр., С-ГО..ГЭТУ, 1993, Вып. 455.- С. 23-25, (соавторы: Потрахов Н.Н.) .

8. Analysis of Process of heating of Wafer by electron-beam// Fourth Inernatlonal. Conference on electron-beam technologies. Varna, 1994, Bulgaria, P . 149 - 153. (соавторы: Быстрое Ю.A.) .

Подписано в печать 06.05.95 Формат 60x84 1/16. Офсетная печать Печ.л. 1,0; уч.-иед. л. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ N :-SÍ

Ротапринт МГП ''Поликом " 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, Б