МИКРОФОКУСНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТРУБКА С АНОДОМ "ТЕПЛОВАЯ ТРУБА" ПРОСТРЕЛЬНОГО ТИПА

Полезная модель прибора относится к рентгеновской технике, в частности к микрофокусным рентгеновским трубкам с анодом прострельного типа. Широкое применение такие трубки получили в установках рентгеновской компьютерной микротомографии (КМТ) для диагностики объектов микроэлектроники и медицины.
Генерация рентгеновских лучей происходит в аноде рентгеновской трубки, который может быть отражательного или прострельного типа. Конструктивно отражательный анод представляет собой массивное тело, (чаще всего медь), на поверхность которого наносят мишень с высоким атомным номером (чаще всего вольфрам). Анод прострельного типа включает в себя мишень, которая нанесена на подложку с низким атомным номером. Подложка служит для выхода рентгеновского излучения и отвода тепла.
Ускоренные анодным напряжением электроны взаимодействуют с материалом мишени, результатом которого является генерация рентгеновских квантов тормозного и характеристического излучения. Большая часть кинетической энергии электронов преобразуется в тепловую мощность, вызывая сильный разогрев материала мишени анода. Превышение предела рассеиваемой мощности может привести к разрушению мишени и выходу рентгеновской трубки из строя.
2
2
Известен источник рентгеновского излучения отражательного типа с увеличенным значением допустимой плотности мощности, рассеиваемой на аноде [1]. Анодный узел содержит молибденовую мишень, нанесенную на медную подложку, между которыми введена алмазная пластина. Высокая теплопроводность алмаза позволяет распределить тепловой поток из малой области нагрева мишени на большую поверхность медной подложки, тем самым увеличивая плотность рассеиваемой мощности, сохраняя прежний температурный режим. Данное конструктивное решение позволило повысить плотность мощности с q=26 кВт/см до q=60 кВт/см при рабочей температуре 600°С, что при размере области взаимодействия 3×0,3 мм составляет 234 Вт и 540 Вт соответственно.
К недостаткам данного технического решения (аналога) можно отнести сохраняющиеся ограничения по рассеиваемой тепловой мощности для микрофокусных рентгеновских трубок. Так, уменьшая размер области взаимодействия электронов и поверхности мишени до 0,1×0,1 мм величина допустимой рассеиваемой мощности резко падает до 6 Вт, при той же температуре 600°С. Также к недостаткам относится положение области генерации рентгеновских квантов относительно выходного окна излучения, что не дает возможность применения данного технического решения в КМТ.
Известна также микрофокусная рентгеновская трубка (прототип) прострельного типа с высоким уровнем рассеиваемой на аноде мощности [2]. Особенностью прототипа является использовании в качестве анода тепловой трубы (ТТ), а конкретней ее разновидности - термосифона (ТС), который совмещает в себе мишень и выходное окно для рентгеновского излучения. Исполнение анода рентгеновской трубки в виде ТС осуществляет отвод тепла за счет кипения теплоносителя, контактирующего с мишенью, с его последующей конденсацией, на развитой поверхности - конденсаторе. Возврат конденсата в область нагрева происходит за счет действия гравитационных сил, а величина рассеиваемой мощности может достигать десятки киловатт [3].
К недостаткам прототипа относится наличие слоя теплоносителя над областью локального нагрева, толщина которого ограничена ослаблением интенсивности рентгеновского излучения [4], и строго вертикальное рабочее положение устройства, так как работа ТС возможна только за счет гравитационных сил.
При создании заявляемой полезной модели решается задача создания анода микрофокусной рентгеновской трубки прострельного типа с увеличенным значением рассеиваемой плотности мощности при сохранении работоспособности трубки, как в вертикальном, так и горизонтальном положениях.
Сущность полезной модели заключается в использовании плоской высокотемпературной тепловой трубы (ВТТ) с жидкометаллическим теплоносителем в качестве анода микрофокусной рентгеновской трубки прострельного типа.
На фиг.1 схематично представлен анодный узел микрофокусной рентгеновской трубки прострельного типа, выполненный в виде плоской ВТТ.
Решение поставленной задачи достигается тем, что анод прострельного типа микрофокусной рентгеновской трубки выполнен в виде плоской ВТТ, образованной герметичным корпусом 2, при этом внутренняя поверхность корпуса 2 охвачена капиллярной структурой 6, выполненной в виде мелкоячеистой сетки с отверстием для вывода рентгеновского излучения наружу через выходное окно 5, насыщенной жидкометаллическим теплоносителем, нагрев которого происходит передачей тепла за счет теплопроводности капиллярной структуры 6 и конвекции теплоносителя из локальной области нагрева мишени 4, образованной электронным пучком 7, к зоне испарения теплоносителя на поверхности капиллярной структуры 6, где происходит образование пара теплоносителя и его перенос в паровом канале 3 в зоны конденсации по краям корпуса 2, где расположены радиаторы 1 воздушного охлаждения.
2
Установлено, что предлагаемое техническое решение позволяет рассеивать тепловой поток величиной q=1000 кВт/см при максимальной температуре на поверхности мишени 2000 К, со стороны электронного потока, и температуре пара от 800-1000 К.
Устройство работает следующим образом.
Электронная пушка (на фиг. 1 не показана) формирует пучок электронов 7, который, проходя электронно-оптическую схему (на фиг. 1 не показана), под действием ускоряющего анодного напряжения, попадает в локальную область на поверхность мишени 4, размером не более 100 микрон. Электроны, за счет высокой кинетической энергии, проникают вглубь материала мишени 4, при этом совершая акты рассеивания их энергии за счет взаимодействия с ядрами атомов и их внутренними K и L электронными оболочками. Результатом такого взаимодействия будет эффективная генерация квантов тормозного и характеристического рентгеновского излучения. Результирующий сплошной спектр рентгеновского излучения частично поглощается в капиллярной структуре 6, насыщенной жидкометаллическим теплоносителем, выходном окне 5 и выходит через последнее во внешнюю среду.
В результате рассеивания кинетической энергии электронов на атомах мишени 4 область их взаимодействия является источником интенсивного тепловыделения, величина которого определяется значением плотности мощности самого электронного пучка 7. Толщина мишени 4 подбирается такой, чтобы область тепловыделения находилась в тепловом контакте с капиллярной структурой 6, которая за счет своей теплопроводности и конвекции теплоносителя распределяет плотность теплового потока из малой области нагрева в мишени 4 по большей площади испарения в капиллярной структуре 6. При определенной температуре (примерно 700-1100 К) теплоноситель в капиллярной структуре 6 начинает интенсивно испаряться, тем самым обеспечивая отвод тепла из локальной области нагрева мишени 4. Образовавшиеся между выходным окном 5 и областью испарения капиллярной структуры 6, пары теплоносителя начинают двигаться в зоны конденсации по паровому каналу 3 за счет градиента давления вдоль длины канала. В зоне конденсации, пар отдает поверхности капиллярной структуре 6 переносимую из зоны испарения тепловую мощность, которая в дальнейшем за счет теплопроводности капиллярной структуры 6, корпуса тепловой трубы 2 и радиаторов 1 рассеивается в окружающее пространство. Одновременно с процессами испарения и конденсации происходит возврат теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения по капиллярной структуре 6 за счет действия капиллярных сил.
За счет замкнутого испарительно-конденсационного цикла в паровом канале 3 и капиллярной структуре 6, можно эффективно передавать тепловую мощность, в непрерывном режиме, из локальной области нагрева мишени 4 в окружающее пространство через радиаторы 1 и стенки корпуса 2.
Таким образом, использование плоской ВТТ с капиллярной структурой позволяет работать устройству независимо от направления действия сил тяжести, т.е. при любом расположении рентгеновской трубки, и значительно увеличить плотность мощности электронного пучка по сравнению со стандартными анодами прострельного типа.
Микрофокусная рентгеновская трубка с анодом «тепловая труба» прострельного типа дает возможность генерировать спектры рентгеновского излучения высокой интенсивности, что позволяет повысить качество получаемых изображений в рентгеновской КМТ объектов электронной промышленности.
Список литературы
1. Патент №2594172 C1 RU.
2. Патент №2653508 C1 RU.
3. Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы. М.: Энергия. 1979 г.
4. Козлов Е.А. Аналитический расчет спектра рентгеновского излучения микрофокусной рентгеновской трубке с анодом «тепловая труба» // Вестник РГРТУ. Рязань, 2019. №69.