по дисциплине «Источники рентгеновского излучения»

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

Электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра Электронных приборов и устройств

 

 

Курсовая РАБОТА

по дисциплине «Источники рентгеновского излучения»

Тема: разработка рентгеновской трубки

 

 

Студент гр. 1202		Киселев А. С.
Преподаватель		Грязнов А. Ю.

 

 

Санкт-Петербург

1.Введение

Рентгеновская аппаратура занимает одно из ведущих мест в ряду средств, применяемых для изу­чения строения вещества, неразрушающего контроля качества изделий, радиационной технологии, исследования быстропротекающих процессов и решения других научных и технических задач. Функциональные возможности и технический уровень рентгеновской аппаратуры в значительной мере определяются параметрами используемых в ней источников излучения — рентгеновских трубок.^[1]

Трубки представляют собой обширный, динамически разви­вающийся класс электронных приборов. Постоянными стимулами его развития являются непрерывное повышение требований к параметрам рентгеновской аппаратуры и расширение сферы применения рентгеновского излучения.

Исторически первыми областями практического использо­вания рентгеновского излучения явились медицинская диагно­стика и просвечивание материалов. Для получения теневых картин исследуемых объектов на начальном этапе развития рентгенотехники применялись ионные рентгеновские трубки. Работы Лилиенфельда и особенно Кулиджа (1912 — 1913 гг.) привели к созданию электронных трубок с термокатодом, получившей в дальнейшем исключительно большое развитие.

Открытие дифракции рентгеновской излучения в кристаллах (1912 г.) послужило основой для развития двух важнейших областей современной техники - рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализов. Появились методы, позволяющие исследовать структуру кристаллических веществ на атомном уровне и определять элементный состав различных материа­лов. Для их практической реализации были разработаны трубки с различными мишенями и выпускными окнами слабо поглощающими длинноволновое излучение.

В последующие два десятилетия благодаря успехам вакуумной техники и технологии рентгеновские трубки были значи­тельно усовершенствованы.

На рубеже 30-40-х годов родилась новая область применения рентгеновского излучения - рентгенография быстропротекающих процессов с помощью мощных вспышек рентгеновского излучения (Штеенбек, Оостеркампф, Слэк, Эрке, В. А. Цукерман и др). В 50-х годах в аппаратуре микросекундного диапазона, предназначенной для исследования явле­нии взрыва, детонации, внешней и внутренней баллистики, динамического уплотнения материалов и других процессов, начали применять трубки с автоэмиссионным и катодами.

Создание приборов с фокусным пятом диаметром 0,5-1 мкм привело к широкому применению в промышленности и научных исследованиях метода проекционной рентгеновской микроско­пии, с помощью которого изучают фазовый и элементный состав сплавов, процессы коррозии и диффузии металлов: осуществляют неразрушающий контроль качества изделий микроэлектроники и полупроводниковой техники и т. д. Эффективным средством неразрушающего контроля изделий электронной промышленности стали рентгенотелевизионные микроскопы, раз­работанные в 60-х годах.

На данный момент благодаря успехам вакуумной техники и технологии рентгеновские трубки значительно усовершенствованы. Развитая номенклатура существующих рентгеновских трубок позволяет решить широчайший спектр практических задач различного рода: рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализы, рентгенография быстропротекающих процессов, исследование фазового и элементного состава в промышленных и научных целях, контроль качества изделий микроэлектроники и полупроводниковой техники, рентгеновская локация,рентгенолюминесцентная сепарация горных пород, рентгенолитография и многое другое.

Условное обозначение рентгеновских приборов (маркировка) определено в ГОСТ 11.073.807—82 «Приборы электровакуумные. Система условных обозначений» и отражает назначение, а иногда и основные параметры приборов. В соответствии с ГОСТ условное обозначение включает в себя комбинацию цифр и букв: цифра \ буквы \ цифра \ - цифра.

Для рентгеновских трубок промышленного просвечивания и структурного и спектрального анализов первая цифра означает предельную допустимую мощность при длительном включении в киловаттах. Далее следует буква, обозначающая способ защиты от излучения: «Р» — обеспечивается полная защита; «Б» — требуется дополнительная защита элементами кожуха или моноблока аппарата. Следующая буква обозначает область применения: «П» - для промышленного просвечивания; «X» - для спектрального анализа; «С» - для структурного анализа; «М» - для медицинского просвечивания; «Т» - для терапии; «Д» - для дефектоскопии.

Третья буква обозначает характер (способ) принудительного охлаждения: «В» - водяное; «К» - воздушное; «М» - масляное. Отсутствие третьей буквы означает охлаждение естественной конвекцией или лучеиспусканием. Следующая за буквами цифра обозначает порядковый номер прибора в данной группе.

Для трубок промышленного просвечивания следующая цифра (пишется через дефис) указывает предельное допустимое анодное напряжение в киловольтах. Для трубок структурного и спектрального анализов последним элементом условного обозначения (пишется через дефис) является символ материала мишени анода. Иногда после стандартного обозначения трубки добавляется римская цифра в скобках, указывающая на внешнее конструктивное оформление прибора (если этого требуют различные конструкции защитных кожухов аппаратуры старых и новых модификаций). Информация о различии в конструктивном исполнении приводится в паспорте на прибор и в рекламных сообщениях.

Исходные данные

Данные для расчета и проектирования рентгеновской трубки приведены в Таблице №1.

Табл. №1. Данные для расчета и проектирования

Назначение трубки	Тип конструкции	U, кВ	Р, кВт	Размер фокусного пятна, мм	Материал мишени
Просвечивание	С чехлом на аноде		3,99		W

 

Расчет электрической прочности трубки

Для определения расстояния между катодом и анодом, можно воспользоваться условием, что на каждые 10 кВ питающего напряжения нужно давать 1 мм зазора. Таким образом, получаем, что расстояние между анодом и катодом не может быть меньше 10 мм. Пробивное напряжение между электродами можно рассчитать по формуле:

C и k ­ коэффициенты, зависящие от конфигурации электродов, формы кривой напряжения и некоторых других факторов. Предположим, что С=47 кВ/мм, k=0.6, d=37 мм, получаем:

Расстояние от электродов до баллона r_э-б должно выбираться из условий обеспечения безопасной разности потенциалов U₀₁ и U₀₂ между электродом и баллоном:

r_э-б ³ 0,1 B U₀₁ (1)

r_э-б ³ 0,1 B U₀₂ (2)

 

где B = 1,25 мм/кВ – коэффициент, зависящий от конфигурации электродов, кривой приложенного напряжения, режима работы и других факторов.

Рис. 1. Распределение потенциала вдоль баллона трубки (1)
и в межэлектродном пространстве (2)

Таким образом, при напряжении на трубке в 100кВ и длинах катода 70мм и 80мм соответственно получаем:

Расчет теплового режима анода рентгеновской трубки

Необходимые параметры анода, для расчета теплового режима приведены в Таблице №2.

Табл. 2. Параметры анода для расчета теплового режима

Радиус анода, см	Толщина анода, см	Радиус фокусного пятна, см	Толщина мишени, см	Температура охлаждаемой стенки, 0С	Теплопро-водность вольфрама, Вт/(см град)	Теплопро-водность меди, Вт/(см град)
1.8	3,5	0.2	0.24		1.2	3.7

 

Температура в сечении Z, Z=2R:

оС

 

 

Температура в центре фокусного пятна:

оС

 

 

Температура в центре спая мишени с анодом:

оС

 

 

Для расчета максимальной мощности нам потребуется максимальная температура, до которой можно греть вольфрам, рассчитываем по формуле:

Вт

 

 

Расчет системы масляного охлаждения

Охлаждение анодов мощных рентгеновских трубок, работающих в режиме длительных нагрузок, осуществляется проточной жидкостью – водой или маслом.

Количество тепла, передаваемое от охлаждаемой поверхности анода к жидкости в единицу времени, определяется выражением:

где Q₁ – тепло, отдаваемое торцевой частью охлаждаемой поверхности, ккал/ч; Q₂ – тепло, отдаваемое цилиндрической частью охлаждаемой поверхности, ккал/ч.

где α₁ – коэффициент теплоотдачи торцевой поверхности, ккал/м²×ч×град; F₁ - площадь торцевой поверхности, м²; t_ст – температура охлаждаемой стенки, °С; t_ж – средняя температура охлаждающей жидкости, °С.

,

где l₂ – коэффициент теплопроводности материала анода (для меди l₂ = 330 ккал/м×ч×град); F₂ – площадь поперечного сечения металлической трубчатой части анода, м²; , α₂ – коэффициент теплоотдачи цилиндрической поверхности анода, ккал/м²×ч×град; _- внутренний периметр сечения канала анода, м.

Коэффициенты теплоотдачи α₁ и α₂ могут быть рассчитаны по формулам:

где безразмерная величина – критерий Рейнольдса, характеризующая режим движения жидкости в подводящей трубке; критерий Рейнольдса, характеризует режим движения в цилиндрическом зазоре охлаждающей системы; ω₁, ω₂ – скорости движения жидкости в подводящей трубке и цилиндрическом зазоре, м/сек; d₂ – диаметр сечения отверстия подводящей трубки, м;

- эквивалентный диаметр цилиндрического зазора, по которому движется охлаждающая жидкость, м; S₂ – сечение этого зазора, м²; L – его периметр, м; - критерий Прандля, характеризующий физические свойства охлаждающей жидкости; ν – кинематическая вязкость жидкости, м²/сек; a – коэффициент температуропроводности жидкости, м²/сек; l - коэффициент теплопроводности жидкости, ккал/м×ч×град.

Скорости воды ω₁ и ω₂ могут быть найдены из выражений:

где V – расход жидкости, л/мин; S₁ – сечение отверстия в подводящей трубке, м²; S₂ – сечение зазора, м².

Основные параметры жидкости и связанные с ней данные:

V = 6 [л/мин] – расход жидкости;

λ = 0.094 – коэффициент теплопроводности масла;

ν = 10.3 * – кинематическая вязкость масла;

= 100 [⁰С] – температура охлаждаемой стенки;

= 40 [⁰С] – средняя температура охлаждающей жидкости;

220 – критерий Прандля, характеризующий физические свойства охлаждающей жидкости;

Геометрические данные СО:

м – наружный диаметр подводящей трубки;

м – внутренний диаметр внутренней трубки;

м – диаметр всего анода;

м – диаметр торцевой поверхности;

– площадь торцевой поверхности;

– площадь сечения меди трубчатой части анода;

– сечение подводящей трубки;

– сечение кольцевого зазора;

Расчет скорости потоков:

Расчет критерия Рейнольдса:

Расчет теплоотдачи поверхностей:

Расчет отводимого поверхностями тепла:

Q = 3.965

P = Q / 0.863 = 4595 Вт

Расчет диаграммы направленности трубки

Если используется трубка с массивным анодом, то возникающее рентгеновское излучение ослабляется материалом мишени. При конструировании рентгеновской трубки, чтобы определить оптимальный угол среза анода и расположение выпускных окон, необходимо рассчитать диаграмму направленности излучения.

Хе

Анод

Электронный пучок

Y

F

n

I(E)

Х

Рис. 2. Формирование диаграммы направленности потока РИ

На представленном выше рисунке n – это нормаль к поверхности анода, Y - угол между электронным пучком и нормалью (можно видеть, что он равен углу среза анода), F - угол между нормалью к поверхности анода и направлением, в котором определяется интенсивность рентгеновского излучения.

Угол среза анода 30 градусов.

Рисунок 3 – Диаграмма направленности излучения трубки
в декартовых координатах

Рисунок 4 – Диаграмма направленности излучения трубки
в полярных координатах

Расчет спектральной плотности потока трубки

При прохождение излучения через слой задерживающих материалов, интенсивности излучения, падает.

Тормозное излучение рентгеновской трубки описывается формулой:

Из предположения, что электроны проникают вглубь мишени на 1мкм на каждые 10кВ разности потенциалов, можем найти толщину ослабляющего слоя X1:

где a - угол между пучком электронов и нормалью к поверхности мишени, b - угол между нормалью и направлением отбора пучка рентгеновского излучения, х - глубина проникновения электронов в мишень(x=10мкм).

Спектральная интенсивность, с учётом поглощения в мишени:

Спектральная интенсивность, с учётом поглощения в выпускном окне:

Спектральная интенсивность, с учётом поглощения в фильтре:

 

Рисунок 5 – Спектральная характеристика трубки

 

 

Заключение

В данной курсовой работе была рассчитана и спроектирована рентгеновская трубка, для которой были заданы следующие параметры:

Назначение трубки	Тип конструкции	U, кВ	Р, кВт	Размер фокусного пятна, мм	Материал мишени
Просвечивание	С чехлом на аноде		3,99		W

По данным параметрам были проведены расчеты:

· Электрической прочности;

· Теплового режима анода;

· Системы водяного охлаждения анода;

· Диаграммы направленности излучения;

· Спектральной плотности потока излучения.

Особенностью разработанной трубки является наличие масляного охлаждения анода маслом. Данная система охлаждения позволяет эффективно отводит тепло от мишени, что уменьшает износ последней. \

 

Список используемых источников информации

1. Иванов С.А., Щукин Г.А., Рентгеновские трубки технического назначения. – Л.: Энергоатомиздат. Ленинград отд-ние, 1989.-200 с.: ил.

2. Грязнов А.Ю., Потрахов Н.Н. Применение ускорителей и рентгеновских приборов: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006, 46 с.

3. Хараджа Ф.Н., Общий курс рентгенотехники. – М.-Л.:Энергия, 1966. – 279с.

4. Интернет ресурс: «Рентгеновская трубка тип 4-БПМ8-250. НПО «Промавтоматика», Екатеринбург.

https://npo-proma.ru/katalog/techpribor/15408/15409/15415/?pos=432974