Rl 0.02
Рис. 1. Принципиальная схема источников рентгеновского излучения. 1 - управляемый искровой разрядник, 2 - подводящий кабель, 3 - электрические проводники, 4 - анод, 5 - катод.
пится на решетке выводного окна рентгеновского излучения, а ускоряющее напряжение положительной полярности подается на анод, изготовленный из тантала. Катод был выполнен из полосок танталовой фольги. Исследование работы такого источника показало, что при величине накопительной емкости 5 нФ и более в вакуумном диоде развивается неустойчивость, которая ограничивает величину дозы рентгеновского излучения. Кроме того, распределение излучения по сечению выходного окна было недостаточно однородным.
Целью данной работы являлось проведение исследований и создание экспериментального макета рентгеновского источника с повышенной интенсивностью и равномерностью выходного излучения.
АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Исследования проводились на рентгеновском источнике с размерами выходного окна 5 х 100 и 4 х 80 см. Принципиальная схема источника представлена на рис. 1. Импульсное питание вакуумного диода осуществлялось от накопительной емкости С, заряженной через индуктивность Ь до 60 кВ, при коммутации тока управляемым искровым разрядником 1 с коаксиальным расположением электродов [12] либо от трехступенчатого генератора Аркадьева-Маркса (г.и.н.) с ударной емкостью С = 15 нФ и собственной индуктивностью ~1 мкГн. Зарядное напряжение г.и.н. изменялось от 20 до 30 кВ. Величина накопительной емкости С изменялась от 3.3 до 25 нФ. Во всех случаях импульс высокого напряжения положительной полярности подавался на диод с помощью кабеля КВИ-120 (2), длина которого изменялась от 2.5 до 13.5 м. Высоковольтный ввод внутри диода был соединен с анодом 4 с помощью нескольких проводников 3 одинаковой длины. В ходе экспериментов исследовались катоды 5 разных типов. В одном случае катод был выполнен из полосок танталовой фольги толщиной 25 мкм, расположенных в шахматном порядке, во втором случае катод представлял собой полоски фольги-
рованного стеклотекстолита толщиной 0.5 мм, в третьем - ряд медных проволочек, наклеенных на полоски стеклотекстолита. Зазор между анодом и катодом изменялся от 14 до 23 мм. Окно для вывода рентгеновского излучения из диода было закрыто Тьфольгой толщиной 50 мкм. Ток в диоде и напряжение на диоде определялись по сигналу, снимаемому соответственно с шунта Я1 и делителя Я2, Я3.
В экспериментах импульсы электрических сигналов регистрировались осциллографом TDS-3014. Измерения экспозиционной дозы выведенного рентгеновского излучения и ее распределение по сечению выходного окна диода проводились с помощью дозиметров КДТ-02М и КИД-1, специально доработанных нами для измерения мягкого рентгеновского излучения. Кроме того, распределение излучения оценивалось по равномерности почернения фотопленки РФ-3. Измерение энергетического спектра выведенного излучения проводилось методом поглощения в фольгах различной толщины. Результаты измерений, которые хорошо коррелировали с данными работы [7], использовались для оценки концентрации электронов в газе, создаваемой импульсом рентгеновского излучения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Основное внимание в наших исследованиях было обращено на поиск условий формирования равномерной плотности электронного пучка в вакуумном диоде, так как именно она в первую очередь задает параметры рентгеновского излучения. В свою очередь известно, что равномерность плотности электронного пучка определяется как свойствами катода, так и параметрами системы питания вакуумного диода.
Первоначально наши эксперименты проводились с катодом, выполненным из танталовой фольги. При этом питание диода осуществлялось импульсом, сформированным при коммутации накопительной емкости различной величины. Исследования показали, что параметры диода в сильной мере зависят от длины кабеля, соединяющего емкость и диод. На рис. 2 приведены осциллограммы напряжения на диоде и тока в диоде для кабелей с длиной 3.5 и 13.5 м. Видно, что при использовании короткого кабеля импульс ускоряющего напряжения короче первого полупериода тока в диоде и спадает существенно быстрее, чем с длинным кабелем. Этот факт и наличие колебательного режима тока в диоде указывают на развитие токовой неустойчивости в диоде в течение первого полупериода импульса тока и, следовательно, об укорочении импульса рентгеновского излучения. При использовании длинного кабеля длительность импульса напряжения практически совпадает с длительностью импульса тока. В этом
Рис. 2. Осциллограммы импульсов напряжения на емкости и и тока диода I при использовании катода из танталовой фольги и емкости С = 3.3 нФ. Зарядное напряжение ид = 60 кВ, длина подводящего кабеля 3.5 м (2,3) и 13.5 м (1, 4).
случае мы регистрировали более высокую дозу рентгеновского излучения.
Анализируя импульсы напряжения, можно отметить, что максимум напряжения в обоих случаях превышает напряжение питания 60 кВ. Это обусловлено зарядкой конструктивной межэлектродной емкости диода. Превышение амплитуды входного импульса напряжения над амплитудой питания говорит о наличии большого запаздывания начала работы диода относительно момента подачи импульса питания. Большое значение этого напряжения облегчает появление взрывной эмиссии с острийного катода и формирование катодной плазмы [13]. В связи с этим большее напряжение на диоде с длинным кабелем позволяет быстрее и, следовательно, однороднее формировать катодную плазму, развить за то же время более высокую амплитуду тока в диоде. Именно это, на наш взгляд, позволило получить более устойчивую работу вакуумного диода с длинным кабелем. Вероятно, что в этих условиях формируется электронный пучок с достаточно равномерной плотностью, который существует в течение всей длительности импульса напряжения на диоде.
Для повышения экспозиционной дозы рентгеновского излучения нами были увеличены емкость, питающая вакуумный диод, и ускоряющее напряжение на нем. При этом для удобства работы с высоким напряжением вместо накопительной емкости использовался г.и.н., с которым мы работали при зарядных напряжениях от 20 до 30 кВ. Исследования проводились на том же диоде с тан-
нс
Рис. 3. Осциллограммы импульсов напряжения на
диоде и тока диода при использовании катода из танталовой фольги и емкости С = 15 нФ. и0, кВ: 1, 4 - 30;
2, 5 - 25; 3, 6 - 20. Длина подводящего кабеля 2.5 м.
таловым катодом и с подводящим кабелем различной длины. В данном случае длина подводящего кабеля уже не играла важной роли в работе диода, которую мы наблюдали при работе с накопительной малоиндуктивной емкостью (рис. 2). Поэтому далее во всех случаях мы использовали подводящий кабель длиной 2.5 м. На рис. 3 приведены осциллограммы напряжения на диоде и тока диода с таким кабелем. Из осциллограмм видно, что во всех случаях в диоде развивается неустойчивость, приводящая к колебательному режиму тока в диоде. Лучшая ситуация наблюдалась при зарядном напряжении 20 кВ, когда электронный пучок существовал практически в течение всего импульса напряжения, а неустойчивость развивалась только в его конце.
Наличие неустойчивости в диоде с танталовым катодом говорит о недостаточной равномерности распределения плазмы по катоду. Для улучшения ее равномерности металлический острийный катод был заменен на металлодиэлектрический (фольгированный стеклотекстолит), как облегчающий формирование плазмы [14]. Работа такого диода исследовалась при различных расстояниях между анодом и катодом, а также при различных амплитудах импульса напряжения. Изменение расстояния анод-катод от 17 до 23 мм показало, что оптимальное значение близко к 19 мм. При этом диод устойчиво работает при зарядном напряжении г.и.н. до 28 кВ. Осциллограммы импульсов напряжения и тока для этого случая приведены на рис. 4. Амплитуда тока диода достигала
U, kB I, кА
t, НС
Рис. 4. Осциллограммы импульсов напряжения на диоде (1, 2) и тока диода (3, 4) при использовании катода из фоль-гированного стеклотекстолита. С = 15 нФ, и0 = 28 кВ (1, 3), 30 кВ (2, 4).
3.5 кА при длительности импульса 700 нс, ускоряющее напряжение в максимуме тока составляло 50-55 кВ. Сравнивая данные осциллограммы с осциллограммами, полученными при использовании металлического катода (рис. 3), следует отметить меньшую амплитуду импульса напряжения и большую скорость нарастания тока при тех же значениях зарядного напряжения г.и.н. Так, время достижения максимального значения тока уменьшилось с 350 до 220 нс. Все это говорит о том, что металлодиэлектрический катод начинает эффективно работать при меньших напряжениях на диоде по сравнению с металлическим и на
О, мР
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80
Z, см
Рис. 5. Распределение дозы рентгеновского излучения по длине выходного окна размером 80 х 4 см. 1 -катод изготовлен из медных проволочек, наклеенных на стеклотекстолит (и0 = 30 кВ), 2 - из фольгирован-ного стеклотекстолита (и = 25 кВ), 3 - из танталовой фольги (и0 = 25 кВ).
его поверхности быстрее появляется плазма. За счет большей скорости формирования плазмы она более равномерно распределяется по поверхности катода. Следствием этого и является более устойчивая работа диода и лучшая равномерность плотности тока электронного пучка в вакуумном диоде. Экспозиционная доза рентгеновского излучения в воздухе для всех режимов работы данного диода с размером выходного окна 5 х 100 см находилась в области 80-100 мР при достаточно хорошей равномерности распределения интенсивности излучения.
Более подробное исследование параметров рентгеновского излучения для различных катодов нами проводилось на источнике с размером выходного окна 4 х 80 см. Расстояние между анодом и катодом вакуумного диода в этих экспериментах было равно 18 мм, зарядные напряжения г.и.н. - 2530 kB. Распределение дозы рентгеновского излучения по длине центральной части выходного окна приведено на рис. 5. Значение каждой точки усреднялось из 8 срабатываний источника. Из этого рисунка видно, что с металлодиэлектриче-ским катодом равномерность распределения дозы значительно лучше. Количественная оценка неравномерности без учета кр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.