Начало >> Статьи >> Архивы >> Рентгеновские аппараты

Импульсное питание рентгеновской трубки - Рентгеновские аппараты

Оглавление
Рентгеновские аппараты
Введение
Генерирование рентгеновских лучей
Ослабление рентгеновских лучей веществом
Световозбуждающее и фотографическое действия рентгеновских лучей
Количественная и качественная оценка рентгеновского излучения
Защита от рентгеновских лучей
Применение - рентгенодиагностика
Применение - рентгенотерапия
Применение - рентгенодефектоскопия
Применение - рентгеноструктурный анализ
Применение - рентгеноспектральный анализ
Применение - облучение в технологических целях
Рентгеновские трубки
Электрические характеристики рентгеновских трубок
Рентгеновские излучатели
Высоковольтный рентгеновский кабель
Рентгеновские питающие устройства
Главные трансформаторы
Параметры R, L и С главного трансформатора
Представление о расчете главного трансформатора
Главные трансформаторы с переменным коэффициентом трансформации
Высоковольтные вентили
Высоковольтные генераторы
Регулировка напряжения на трубке и тока трубки
Включение и отключение питающего устройства
Автоматика в рентгеновских питающих устройствах
Стабилизация работы питающего устройства
Контроль напряжения на трубке и ее анодного тока
Выпрямительные схемы рентгеновских питающих устройств
Однополупериодная безвентильная схема
Однополупериодная вентильная схема
Двухполупериодная схема
Схема удваивания с пульсирующим напряжением
Схема удваивания со сглаженным напряжением
Падение напряжения в главной цепи питающего устройства
Перенапряжения в питающих устройствах
Импульсное питание рентгеновской трубки
Рентгенодиагностические аппараты
Рентгенодиагностические исследования
Рентгенодиагностические трубки
Системы регулировок рентгенодиагностического аппарата
Регулировка выдержки
Защита трубки от перегрузки
Реле экспозиции
Падающая нагрузка
Передвижные аппараты
Стационарные аппараты
Усилитель яркости рентгеновского изображения
Рентгенокиносъемка
Рентгенотелевидение
Флюорографические аппараты
Хирургические аппараты
Аппараты для ангиокардиографии
Аппараты для близкофокусной и внутриполостной терапии
Аппараты для глубокой терапии
Рентгенодефектоскопические аппараты
Рентгеновские микроскопы
Рентгеновские аппараты для структурного анализа
Рентгеновские аппараты для спектрального анализа
Рентгеновские аппараты для облучения в технологических целях

а) Миллисекундная техника.

Под миллисекундной техникой подразумевается импульсное питание рентгеновской трубки от высоковольтного конденсатора такой емкости, при которой однократной разрядки достаточно для получения требуемого рентгеновского эффекта, а время разрядки находится в интервале от нескольких десятков (в крайнем случае сотен) миллисекунд до нескольких миллисекунд. Достоинством такого питания является возможность получения сравнительно мощных рентгеновских импульсов при использовании источника электрической энергии небольшой мощности, поскольку зарядка конденсатора может производиться в течение времени, во много раз превышающего время разрядки.

Рис. 4-54. Импульсная схема с трехэлектродной рентгеновской трубкой.
Интерес к такому импульсному питанию трубки при рентгенодиагностических снимках был проявлен еще много лет назад. Однако импульсные рентгенодиагностические аппараты, выпускавшиеся в 30-х гг. в виде стационарных, были несовершенны [Л. 132] или слишком сложны [Л. 109] и дальнейшего развития не получили. Существенным обстоятельством явились также тяжелые условия работы трубки при быстрой разрядке конденсатора сравнительно большой емкости. Отечественные материалы по медицинской импульсной рентгенографии изложены в [Л. 133].
Новые импульсные аппараты, в первую очередь передвижные, появились в 50-х гг., чему в значительной мере способствовало совершенствование рентгеновских трубок.
В таких аппаратах используются высоковольтные конденсаторы емкостью 0,5—1 мкФ и трехэлектродные рентгеновские трубки с вращающимся анодом на напряжения 100—125 кВ. Один из таких аппаратов описан в [Л. 134].
Разрядная цепь такого импульсного аппарата изображена на рис. 4-54. В процессе зарядки конденсаторов и после зарядки трубка находится под их напряжением. Нить катода имеет неполный накал, управляющей сетке задан отрицательный (запирающий) потенциал.
Такая система предъявляет очень высокие требования к качеству трубок в смысле стабильности вакуума.                                                                                                                          

Малейшее газоотделение приводит к произвольной разрядке конденсаторов, которая здесь в особенности опасна в виду значительно большей емкости, чем при сглаживании напряжения в ранее рассмотренных схемах. Успокоительные резисторы R играют в связи со сказанным очень ответственную роль. Напомним, что при сильном газоотделении в трубке на них может перейти все напряжение конденсаторов и разрядный ток будет ограничиваться лишь их величиной.
Перед тем как произвести снимок, разгоняют анод и увеличивают накал трубки. Затем «открывают» трубку, меняя отрицательный потенциал сетки на положительный. Происходит разрядка конденсаторов, которая при полностью «открытой» трубке определяется током накала и анодной характеристикой. При желании разрядка может быть прекращена в любой момент путем обратной замены положительного потенциала сетки на отрицательный. Емкости кабелей составляют примерно 0,1% емкости конденсаторов и существенного влияния не оказывают.
Рассмотрим основные закономерности, связанные с генерированием рентгеновского излучения при разрядке емкости через рентгеновскую трубку.
Напряжение на емкости по мере ее разрядки уменьшается; при полной разрядке оно падает до нуля. Рентгеновское излучение, генерируемое при полной разрядке емкости через трубку, подобно излучению, получающемуся при пульсирующем напряжении.
Форма импульса разрядного тока, как мы видели, может быть различной. В связи с этим возникает вопрос: в какой мере форма импульса влияет на излучение, генерируемое трубкой?
В случае импульсного питания трубки удобнее говорить не об интенсивности, а об энергии излучения:

где t — время разрядки. Эта формула справедлива как для излучения, непосредственно генерируемого трубкой (n = 2), так и для излучения за объектом или фильтром (п>2). При этом нужно лишь помнить, что величина а резко уменьшается с увеличением n.

Покажем теперь, что рентгеновское излучение при указанных условиях получается одинаковым не только количественно, но и качественно.

Рис. 4-55. К вопросу о влиянии формы импульса на рентгеновское излучение.

На рис. 4-55 разрядный ток имеет различные формы импульса *.  Примем С И Uсмаке одинаковыми; разобьем продолжительность прохождения тока через трубку на неравные интервалы таким образом, чтобы количество электричества, прошедшее через трубку в течение одного какого-либо интервала, было равно количеству электричества, прошедшего через трубку в течение другого интервала как при той, так и при другой формах импульса. Тогда изменение напряжения за время одного интервала будет иметь вполне определенную величину, одинаковую для всех интервалов. Со степенью точности, тем большей, чем меньше величины взятых интервалов, q, напряжение и ток в течение интервала можно считать постоянными; следовательно, будет постоянным в течение интервала и распределение энергии в спектре рентгеновского излучения. Определенному п-му интервалу в обоих случаях соответствуют одинаковое анодное напряжение, одинаковое количество излученной энергии и одинаковое распределение этой энергии по спектру.
Суммируя энергию, излученную па протяжении всех интервалов, приходим к выводу, что и суммарная энергия для равного числа интервалов, отсчитываемых от начала разрядки, одинакова не только количественно, по и качественно. Это означает, что рентгеновский эффект, получаемый при неизменных С, Uсмакс и q и прочих равных условиях (фокусное расстояние, фильтр и т. д.), при Δu = 0 от формы импульса нс зависит.
Если Δи не равно нулю, то форма импульса будет влиять па излучение. Рассмотрим практически важный случай, когда Διι представляет собой падение напряжения на успокоительных сопротивлениях, общую величину которых мы обозначим через R. Пусть трубка в течение разрядки «открыта» полностью, а ее анодная характеристика линейна, т. е. «открытая» трубка представляет собой активное сопротивление постоянной величины. Тогда Δu=iaR уменьшается так, что отношение

остается неизменным в течение разрядки; поэтому

(4-82)
и

Рис. 4-56. Зависимости напряжения на трубке и излучения трубки от количества прошедшего электричества.
Из сопоставления формул (4-81) и (4-82) видно, что падение напряжения в успокоительных сопротивлениях заметно уменьшает количество излученной энергии. Так, если принять а=1,1 и п —= 5, то Аr уменьшится примерно на 40%. Это уменьшение можно снизить, изменив форму импульса тока так, чтобы в начале разрядки падение напряжения на успокоительных сопротивлениях было меньше.
На рис. 4-56 показаны уменьшение напряжения на трубке uа и нарастание излученной энергии Аr в функции количества электричества q, проходящего через трубку в процессе разрядки:
1 — при α=1,0 (R = 0); 2 —

Рис. 4-57. Зависимость напряжения тока трубки от времени в процессе разрядки.
при α= 1,1 (накал трубки неизменен); 3 — при постепенном изменении α в начале разрядки от 1,0 до 1,1 путем повышения накала. На рис. 4-57 два последних случая представлены для uа, ia и q в функции времени t; при неизменном накале напряжение и ток спадают по экспоненциальному закону, причем принимается, что t достигает 100%, когда uа уменьшается в е раз (из рис. 4-56) видно, что к этому моменту Аr практически уже достигает      предельного значения).
Изменение формы импульса, нарушая экспоненциальный закон, наряду с повышением Аr увеличивает время разрядки.
Сравним излучение, генерируемое в импульсной схеме при полной разрядке емкости, с излучением, генерируемым при постоянном напряжении, по-прежнему полагая п = 5 и имея в виду равенство энергий, воспринимаемых анодом трубки. 

Таким образом, величина q при импульсном питании должна быть для равенства электрической энергии увеличена вдвое. Поэтому

Напомним, что для двухполупериодной схемы тот же коэффициент равен 0,78—0,85 (§ 4-8).
Как мы видим, при разрядке емкости до uа = 0 получается низкое использование трубки по излучению; при наличии успокоительных резисторов оно будет еще меньшим. Поэтому разрядку нужно прекращать (изменяя сеточный потенциал трубки) при иа>0; расчеты показывают, что для получения такого же использования трубки, как и в двухполупериодной схеме, разрядку следует прерывать при напряжении на трубке 70—75% начального. Некоторые данные по сравнению импульсной схемы с обычной однофазной двухполупериодной приведены в [Л. 134].
Укажем, что увеличение анодного тока трубки в импульсном аппарате с целью сокращения выдержки (при неизменной величине успокоительных сопротивлений) приводит к уменьшению излученной энергии Аr. Такое регулирование можно осуществлять, следовательно, лишь при тех снимках, которые требуют относительно малой доли энергии, запасаемой емкостью конденсаторов. Естественно, что количество излученной энергии резко падает также с уменьшением начального напряжения на трубке. Отмеченные обстоятельства являются следствием того, что в импульсном аппарате, по сравнению с аппаратом с прямым питанием от сети для снимка может использоваться весьма ограниченное количество электрической энергии. Это ограничение приводит также к более жестким требованиям к рентгеновской пленке и усиливающим экранам в смысле их чувствительности.

б) Микро- и наносекундная техника.

Использование микро- и наносекундной техники для получения мощных импульсов рентгеновского излучения началось в 30-х гг. Практическое применение эта техника нашла прежде всего при исследовании быстро протекающих процессов: рентгенография движущихся механизмов, процессов разрушения. В дальнейшем микро- и наносекундная рентгенография стала применяться также в обычной рентгенодефектоскопии и отчасти — в рентгенодиагностике. Обзор состояния дела в начале 60-х гг. дан в [Л. 135].


Рис. 4-58. Конструктивные схемы электродов импульсных трубок. а — двухэлектродная; б — трехэлектродная.
Для снижения выдержек до микро- и наносекунд необходимо получать импульсы тока порядка сотен и тысяч ампер. Это требует специальных рентгеновских трубок. При напряжении 100—150 кВ мгновенная мощность достигает тысяч киловатт, при более высоких напряжениях— еще больших значений. При первых попытках получить большие импульсы тока применялись импульсные трубки с разрядом в парах ртути [Л. 136 и 137] или трубки с увеличенной термоэлектронной эмиссией накаливаемого катода [Л. 138 и 139].

В настоящее время используются, как правило, рентгеновские трубки с электростатической эмиссией. Общие сведения об электростатической эмиссии приводились в § 2-1. На рис. 4-58 приведены эскизы двух- и трехэлектродной трубок с электростатической эмиссией. В отечественной импульсной аппаратуре обычно используются двухэлектродные трубки [Л. 140—142]. Катод К цилиндр (или просто шайбу) с острым краем, анод А —вольфрамовую иглу. При разрядке конденсатора, когда между катодом и анодом оказывается приложенным полное напряжение, из острого края под действием электрического поля начинают вырываться электроны. Так как структура этого края (его, так сказать, «острота») неоднородна по всей окружности, то разряд происходит между какой-то одной точкой и анодной иглой. Разряд носит характер пробоя в вакууме. Анодная игла при бомбардировке ее электронами дает рентгеновское излучение с максимумом, направленным по оси трубки.
Трехэлектродные трубки [Л. 147] отличаются тем, что в них имеется дополнительный «поджигающий» электрод П. Вначале между катодом и этим электродом прилагается пониженное напряжение — поджигающий импульс, который затем переходит в разряд между катодом и анодом.
В трубках типа «Фекситрон» американской фирмы Филд Эмишн Корпорейшен [Л. 148—149] катод имеет

Рис. 4-60. Схема импульсного питания двухэлектродной импульсной трубки.

Рис. 4-59. Конструкция двухэлектродной импульсной трубки с электростатической эмиссией.
1 — баллон; 2 — катодный держатель; 3 — игольчатые катоды; 4 — анод.
игольчатые эмиттеры (рис. 4-59), электроны вырываются электрическим полем из этих игл*, плотность разрядного тока составляет примерно 4 · 103 А/см2. Трубки типа «Фекситрон» имеются на напряжения до 2 000 κΒ. Рентгеновское излучение, как и в вышеописанных трубках, исходит от игольчатого анода в осевом направлении.
* Вначале в трубках типа «Фекситрон» использовались одновременно термоэлектронная и электростатическая эмиссии.

Рассмотрим теперь электрические схемы* питания импульсных рентгеновских трубок. На рис. 60 представлена схема, в которой накопительная емкость (накопительный конденсатор) находится в промежуточном контуре.

* Эта схема заимствована из силовой техники высоких напряжений, где она применяется для ударных испытаний электрической прочности высоковольтной изоляции; такие устройства называются там ГИИ (генераторы импульсного напряжения) и устанавливаются прямо в помещениях (и даже вне помещений), т. е. работают при атмосферном давлении.

После зарядки конденсатора цепь замыкается с помощью электронного или ионного прибора К, конденсатор разряжается через первичную обмотку импульсного трансформатора Тр2, вызывая импульс вторичного тока, проходящий через рентгеновскую трубку и создающий вспышку рентгеновского излучения. Такая схема целесообразна для сравнительно маломощной аппаратуры.

В более мощной аппаратуре накопительные емкости включают обычно параллельно рентгеновской трубке. При этом часто используют так называемую схему Аркадьева — Маркса, изображенную на рис. 4-61 *. Конденсаторы C1—С4 заряжаются через сопротивления R1—R7, разряжаются же через разрядники Р1—Р3. Начало разрядки может определяться предельным напряжением, до которого заряжаются конденсаторы или же разряд может возникнуть в результате воздействия на разрядники. Так, одному из разрядников можно придать поджигающий электрод. Поджигая один разрядник, вызывают разряды во всей цепочке разрядников. Дальнейшие сведения о схемах импульсного питания рентгеновских трубок даются в § 6-1. Отметим в заключение, что импульсная аппаратура является в настоящее время одним из основных направлений современного рентгеноаппаратостроения. К особым областям применения такой аппаратуры следует добавить еще рентгенолокацию [Л. 150].


Рис. 4-61. Рентгеновский генератор по схеме Аркадьева — Маркса.



 
« Религия и психические болезни   Рентгенодиагностика заболеваний костей и суставов »