Вынесенные полые аноды

В настоящее время одной из наиболее часто встречающихся тенденций в рентгеновском приборостроении является использование в рентгеновских аппаратах различного назначения микрофокусных трубок с вынесенным полым анодом. Рассмотрим преимущества, которые дает использование в рентгеновских трубках вынесенного полого анода. Отличительной особенностью трубок подобной конструкции является то, что их анодный узел выступает за пределы защитного кожуха (или, в моноблочных аппаратах, моноблока) на довольно значительное расстояние.

Вынесенный полый анод представляет собой трубу, выполненную из меди, титана, алюминия или нержавеющей стали и расположенную по оси пучка электронов. На конце трубы размещается непосредственно анод прострельного или массивного типа. Схема рентгеновской трубки с вынесенным полым анодом представлена на рис.4.11, а конструкция оконечностей различных разновидностей вынесенных полых анодов - на рис. 4.12.

Использование анода такого типа дает существенные эксплуатационные преимущества:

- возможность максимально близкого расположения фокусного пятна рентгеновской трубки и исследуемого объекта, что позволяет разом решить несколько технических задач, стоящих при проведении рентгеновских исследований – повысить мощность дозы излучения, использовать при съемке прямое увеличение (ведущее к повышению качества теневого рентгеновского изображения),

- возможность решения ряда задач, связанных с исследованием объектов, имеющих труднодоступные полости малого размера (дефектоскопия сварных швов, корпусов многих промышленных изделий) или в медицинских исследованиях (интраоральное расположение анода трубки при проведении диагностических исследований в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии),

- облегчение фокусировки электронного пучка, которую можно осуществлять путем расположения на анодной трубе кольцевых постоянных магнитов или электромагнитной катушки,

- высока степень нейтрализации вредного воздействия вторичных и рассеянных электронов.

Стеклянная колба Доп. электрод Фокусирующая система Пучок é

Катод

Мишень на выпускном окне Пучок РИ

Рис. 4.11. Схема трубки с вынесенным полым анодом.

Рис. 4.12. Конструкции оконечностей анодной трубы

1 - пучок электронов, 2 – рентгеновское излучение, 3 – выпускное окно,

4 – мишень, 5 – тело анода, 6 – полость для охладителя, 7 – анодная труба

В зависимости от назначения трубок их проектирование (тип окончания анодной трубы, электрические режимы работы трубки и т.п.) осуществляют с учетом необходимой конфигурации получаемого пучка рентгеновского излучения (направленный, панорамный и т. п.).

В случае, если проектируются трубки на достаточно большую мощность (до 1,5 кВт) то для охлаждения трубки используется проточная жидкость (обычно, вода) которая либо циркулирует по системе охлаждения (рис. 4.13), выполненной в форме полых соосных цилиндров (система более удобна при введении анода внутрь исследуемого объекта, так как отсутствуют подводящие шланги у оконечности анода) либо подается непосредственно к окончанию анодной трубы, что позволяет повысить предельно допустимую мощность трубки за счет более эффективного охлаждения наиболее нагреваемого элемента конструкции. Использование вынесенного полого анода позволяет максимально приблизить фокусное пятно к исследуемому объекту, тем самым реализовав метод прямого увеличения. Однако для получения четкой теневой картины всегда необходимо стремиться к минимизации размера источника излучения. При применении метода прямого увеличения требование к минимизации размеров фокусного пятна приобретает важное значение.

Рис. 4.13. Конструкция трубки 0,3БПВ6-150 с системой охлаждения

анода в виде соосных цилиндров.

В настоящее время микрофокусные источники применяются в самых различных областях – промышленной дефектоскопии, медицинских диагностических исследованиях, рентгеновской литографии и т.д.

Как уже упоминалось, конструкция трубки с вынесенным полым анодом позволяет существенно облегчить фокусировку электронного пучка, путем размещения фокусирующей системы непосредственно на анодной трубе. Однако, ввиду того, что электроны, как частицы с зарядами одного знака, испытывают взаимное отталкивание, это накладывает существенные ограничения на максимально возможный ток рентгеновской трубки, значение которого в микрофокусных трубках практически не превышает 100 мкА.

Снижение тока трубки ведет к снижению мощности излучения (плотности потока энергии), что, естественно ведет к снижению экспозиционной дозы. Для сохранения значения, необходимой для просвечивания исследуемого объекта необходимо повышать напряжение трубки. Подобная «жесткая» съемка, подразумевающая использование микрофокусного источника и экспозицию при повышенном напряжении позволяет значительно повысить такие показатели качества теневого рентгеновского изображения как резкость и, в области высоких пространственных частот, контрастность.

Таким образом, обусловленный применением микрофокусных трубок переход к использованию более высокого, чем используемое традиционно, напряжения ведет:

- к достижению требуемой экспозиционной дозы при меньшей электрической мощности трубки (кроме того, применение вынесенного полого анода позволяет, приблизив фокусное пятно к объекту, еще более снизить мощность трубки),

- к снижению эффективной эквивалентной дозы за счет повышения жесткости спектра.

Кроме того, повышение эффективной энергии квантов в спектре (повышение жесткости излучения) ведет к тому, что через исследуемый объект проходит большая часть квантов и, как следствие, интенсивность излучения у детектора (рентгенопленки или рентгенотелевизионной системы) также становится выше. Указанная особенность позволяет, с учетом рассматривавшихся выше факторов, еще более снизить мощность трубки.

В медицинской диагностике снижение мощности трубки приведет к снижению лучевой нагрузки на пациента, что на сегодняшний день является одним из определяющих требований при разработке новой медицинской рентгенодиагностической аппаратуры, при промышленном просвечивании снижение экспозиционной дозы также важно с точки зрения защиты персонала.

Что касается эксплуатации источников такого типа, то ввиду компактности аппаратуры (зачастую, вес моноблока с трубкой не превышает 3-5 кг) приборы подобного класса чрезвычайно мобильны, что позволяет их использовать для проведения анализа не только в стационарных условиях, но и в полевых.

Полученная, благодаря вынесенному полому аноду, возможность просвечивать объекты изнутри (ввиду минимизации радиационной толщины объекта контроля) достигать лучшей чувствительности с одновременным снижением мощности трубки и времени экспозиции. Кроме того, возможность получения панорамных снимков снижает число исследований, необходимых для получения общей картины состояния исследуемого объекта.