Журнал КОНТРРЕВОЛЮЦИОНЕРА (videoelektronic) wrote,
Журнал КОНТРРЕВОЛЮЦИОНЕРА
videoelektronic

Category:

Мы создали новую конструкцию перспективной рентгеновской трубки для аналитических приборов

Основные параметры 1-й опытной конструкции перспективной электронно-лучевой рентгеновской трубки следующие:


1) Рабочее анодное напряжение в диапазоне (положительное) 4 — 8 кВ.
2) Вид излучения — тормозное.
3) Материал анода — медь.
4) Электрическая мощность непрерывная до 5 Вт.
5) Импульсная электрическая мощность до 40 Вт (при средней мощности не более 5 Вт, скважность прядка 1:10) и длительности импульсов не более 0,1 сек.
6) Возможность как плавной, так и импульсной регулировки уровня излучения от нуля до максимума изменением напряжения на модуляторе от минус 500 вольт до нуля при собственной ёмкости модулятора менее 2 пФ.
7) Выходной поток рентгеновского излучения в виде конического пучка с основанием 3 мм около выходного окна и расходимостью 5-8 градусов.
8) Материал выходного окна — бериллий толщиной 200 мкм. Потенциал выходного окна близок или равен потенциалу катода.
Ниже приведены измеренные графики распределения излучаемых фотонов по энергиям и по углу выхода из трубки. Исследования проводились при помощи датчика фирмы Amptek.

Видно, что спектр излучения трубки имеет максимум мощности на энергии на 1 кЭВ ниже по абсолютной величине заданного потенциала анода.


Расходимость пучка составляет 5-8 градусов и имеет разброс по осям, видимо, из-за некоторой несимметричности, допущенной при сборке образца.

В настоящее время нами поставлена инженерно-техническая задача создать 2-ю опытную конструкцию перспективной рентгеновской трубки с молибденовым и вольфрамовым анодом на рабочие анодные напряжения от 4 до 20 кВ и от 4 до 35 кВ соответственно. Такая рентгеновская трубка будет иметь примерно в полтора раза большие размеры, чем 1-й образец, как в диаметре, так и в длину. Её непрерывная электрическая мощность будет составлять около 7 Вт, а энергия максимума потока генерируемых фотонов сможет регулироваться путём изменения анодного напряжения от 3 до 19 кЭВ для анода из молибдена и от 3 до 34 кЭВ для анода из вольфрама.
Подобные рентгеновские трубки могут использоваться в РФА-приборах, СИП-приборах, для контроля датчиков радиации, в качестве лабораторного оборудования и для ряда других применений.
Рассмотрим отдельные потенциальные рыночные ниши.
1). Рентгенофлуорисцентные спектрометры ( РФА ) выпускаются как в виде дорогих аппаратов, так и в виде аппаратуры для экспресс-анализа.



Их принцип действия основан на определении состава исследуемого материала по длинам волн испускаемых этим материалом характеристического рентгеновского излучения при первичном облучении материала рентгеном.
Если говорить предельно упрощено, то рентгеновская трубка с источником её питания является одной из двух основных частей такого прибора.
Простые РФА обычно имеют только одну рентгеновскую трубку, работающую с анодным напряжением 35-40 кВ и генерирующую  достаточно коротковолновое (жёсткое) рентгеновское излучения.
Именно такие РФА составляют основную долю рынка. И хотя они стоят относительно дёшево ( от 10 тыс. долларов или более ), их рыночная ниша наиболее широка. Они применяются для экспресс-анализа металлических сплавов и других материалов на промышленных предприятиях.
Вообще, весь глобальный рынок РФА ( или XRF devices ) составит к 2022 году 6,5 миллиарда долларов США ( Global X-ray Fluorescence (XRF) Market to Become Worth US$ 6.5 Billion by 2022 and is Projected to Register a CAGR of 5.0% by 2026 - MarketResearch.biz (prnewswire.com) ). Стоимость рентгеновских трубок в % к цене самих аппаратов можно оценить, как 10% .
При средней стоимости РФА в 20 тысяч долларов США можно считать, что в мире выпускается более 200 тысяч спектрометров в год. При стоимости рентгеновской трубки 2 тысячи долларов это рынок рентгеновских трубок в 400 миллионов долларов США.
Но у XRF-приборов широкого потребления есть один серьёзный недостаток. Они имеют проблемы в непосредственном обнаружении сигнала от лёгких материалов на фоне тяжёлых материалов.
Теоретически методом РФA можно определять химические элементы от бора до урана, однако измерение концентраций легких элементов, ниже 22 атомного номера, т.е. титана, вызывает большие трудности из-за слабой флюоресценции. Определение этих элементов, особенно в концентрациях ниже 1% возможно только на стационарных РФ-спектрометрах с высокой мощностью рентгеновского излучения. В силу этого физического ограничения, измерение концентрации таких, важных в металловедении, элементов как углерод (С), фосфор (P), сера (S), кремний (Si), алюминий (Al), магний (Mg), натрий (Na), литий (Li), бериллий (Be), бор (B), азот (N) ручными РФ спектрометрами («пистолетами») является невозможным. Этот факт особенно следует учитывать при выборе спектрометра так как перечисленные элементы находятся в металлах и сплавах в весьма малых концентрациях (от 0.001%).
Разработчики мобильных «спектрометров-пистолетов» стараются преодолеть это ограничение различными методами, но, увы, физику «обмануть» крайне сложно. Поэтому для повышения привлекательности и продаваемости в ход идут различные ухищрения и реклама. Ярким примером такого подхода является рекламная брошюра рентгенофлуоресцентного «пистолета» одной широко известной компании-производителя таких спектрометров. Определение легких элементов в данном случае предлагается произвести «по паспорту», т.е. измерить доступные элементы, например никель, хром, марганец, медь, подобрать по их концентрациям наиболее близкую марку сплава и приписать неопределенным элементам концентрации из паспорта марки!
В стационарных РФА обычно для обхода описанной проблемы используется два-три-четыре источников рентгеновского излучения с различными длинами волн в максимуме излучения. При этом, генерация рентгеновского излучения большой длины волны (с энергией фотонов ниже 5 кЭВ) до сих пор представляла заметную задачу, так как рентгеновские трубки специально рассчитанные на такой диапазон не производятся в связи с малым рыночным спросом, поэтому производители стационарных РФА либо пытаются адаптировать производимые серийно рентгеновские трубки под свою задачу, либо пытаются освоить собственный мелкосерийный выпуск трубок более подходящих для генерации длинноволнового рентгена. В любом случае, задача генерации такого рентгеновского излучения не тривиальна и в настоящий момент у наших потенциальных конкурентов решена не оптимальным образом (в частности, известные конструкции рентгеновских трубок в режиме анодного напряжения около 5 кВ имеют очень слабую мощность излучения).
Появление нашей перспективной рентгеновской трубки с возможностью эффективного управления анодным напряжением и мощностью излучения позволяет приблизить параметры ширпотребовских РФА к параметрам стационарных дорогих РФА путём реализации в дешёвых приборах алгоритма нескольких замеров  распределения вторичного излучения по энергиям при различных анодных напряжениях в рентгеновской трубке. 
Предварительные переговоры с рядом российских производителей стационарных РФА показали их заинтересованность в нашей разработке. Полагаю, что подобный интерес должен быть на зарубежных рынках.

2). Спектрометры ионной подвижности (СИП) — другая возможная сфера применения нашей рентгеновской трубки.

СИП-анализаторы или IMS devices. Такие приборы используются в составе досмотровой техники в аэропортах и т. п. Их принцип действия основан на различной скорости движения тяжелых и лёгких ионов в слабом электрическом поле при атмосферном давлении газа.



Прибор состоит их пробоотборника, ионизационной камеры, канала дрейфа ионов и коллектора.
Ионизационная камера — важный элемент конструкции. Ионизация в ней происходит двух-ступенчатым способом. Сперва ионизируется молекула лёгкого газа, а потом эта молекула уже ионизирует тяжёлую молекулу примеси. Обратно на лёгкую молекулу тяжелая разрядится не может и дрейфует к коллектору ионов.
Для ионизации традиционно используется или коронный разряд (который может разрушать тяжёлые молекулы), или изотопный радиоактивный источник, разрешение на использование которого получить достаточно сложно, не говоря уже о перемещении через границы такого оборудования.
Предлагаемая нами перспективная рентгеновская трубка может послужить эффективной заменой изотопному радиоактивному источнику. Наши эксперименты позволили зарегистрировать ток первичных ионов лёгких газов величиной 1 нА (при непрерывной работе X-трубки в достаточно мягком режиме с электрической мощностю на аноде трубки порядка 2 Вт). Это величина примерно такого же порядка, что и при радиоактивной ионизации. В импульсе можно развить в несколько раз больший ток ионов. 

Общий рынок приборов СИП составил на 2019 год более 800 млн. долларов США. К 2025 году он ожидается в размере более 1.1 млрд. долларов США.
Oct 16, 2020 (Market Insight Reports) -- Selbyville, Delaware, The next five years the Ion Mobility Spectrometry market will register a 8.7% CAGR in terms of revenue, the global market size will reach $ 1187.9 million by 2025, from $ 851.1 million in 2019. In particular, this report presents the global market share (sales and revenue) of key companies in Ion Mobility Spectrometry business. ( https://www.marketwatch.com/press-release/ion-mobility-spectrometry-market-size-soaring-at-87-cagr-to-reach-11879-million-usd-by-2025-2020-10-16 ).
Оценочно можно считать, что средняя цена СИП(IMS)-прибора составляет порядка 100 тысяч долларов США. Тогда их производимое в год количество можно оценить, как 11 тысяч штук в год.
Применение рентгеновской трубки в СИП не налагает на приборы тех ограничений, которые есть при применении там радиоактивных источников. Реально над решением этой задачи работают многие, но нам удалось создать реально повторяемый отпаянный вакуумный прибор, генерирующий фотоны с энергиями 2 — 5 кЭВ, что наиболее эффективно для ионизации газа.
Предварительные переговоры с компанией с одной из компаний США, выпускающей СИП-аппаратуру, показали их интерес к нашей разработке.
В настоящее время у нас ( о возможностях компании можно узнать тут www.melz-elt.ru ) имеются производственные мощности, позволяющие в короткий срок выйти на выпуск порядка 5 000 штук рентгеновских трубок нашей конструкции в год, поскольку конструкция этой рентгеновской трубки основана на имеющихся у нас технологических и производственных компетенциях. Фактически, это не значительная часть общего рынка, на который мы ищем выход. А значит, наши усилия не должны быть встречены серьёзным сопротивлением бизнесов, данный рынок контролирующих.

Обратная связь для заинтересованных в нашей разработке может быть через электронную почту: videoelektronic@ya.ru

Tags: Инновации, инженерное дело
Subscribe

Posts from This Journal “Инновации” Tag

promo videoelektronic march 31, 00:19 29
Buy for 40 tokens
Итак, вчера я описал свой взгляд на медицинско-технические проблемы, вызывающие именно такой характер распространения коронавируса, какой мы все наблюдаем. Версия технократа по поводу т.н. "эпидемии COVID-19" Но это лишь один слой проблемы. Взгляд, так сказать, с одного ракурса.…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment