Микрофокусная рентгеновская трубка прострельного типа с высоким уровнем рассеиваемой на аноде мощности
THROUGH-TYPE MICROFOCUS X-RAY TUBE WITH HIGH LEVEL OF POWER DISPERSED ON ANODE

Изобретение относится к радиационной технике нового поколения, предназначено для улучшения основных характеристик рентгеновского технологического и исследовательского оборудования и может быть использовано в установках стерилизации, дезинфекции, генной модификации, в рентгеноскопии и рентгеноструктурном анализе объектов микроэлектроники, биологии, медицины и т.д.
Генерация рентгеновского излучения является результатом взаимодействия ускоренных электронов с веществом. Для возбуждения рентгена используют потоки электронов с энергией от нескольких кэВ до сотен кэВ, направляемые на анод (антикатод). Часть энергии потока при торможении электронов в веществе анода идет на нагревание материала, а другая часть (в лучших образцах до 15%) преобразуется в рентгеновское излучение.
По диаметру сфокусированного на аноде электронного луча рентгеновские трубки разделяют на макрофокусные (диаметр более 1 мм), острофокусные (диаметр 0.01-1 мм) и микрофокусные (диаметр меньше 10 мкм).
Преимущества применения микрофокусных трубок по сравнению с макрофокусными состоят в следующем:
- принципиальная возможность локальных исследований и воздействий,
- малая доза облучения областей, смежных с предметной,
- возможность получения увеличенных изображений,
- более высокое качество изображений объекта при равенстве доз облучения.
Конструктивно аноды микрофокусных трубок выполняются массивными или прострельными.
Известны микрофокусные трубки с массивным анодом (отражательного типа) [1]. Такой анод состоит из тела анода и мишени и поэтому называется составным анодом. Материал тела анода должен обладать высокой теплопроводностью для эффективного отвода тепла к охлаждающему устройству. К мишени предъявляют требования высокой температуры плавления.
2
Недостатком таких микрофокусных трубок, в соответствии с известными оценками, в том числе представленных в [1], является малая предельная мощность, подводимая электронным пучком к массивной вольфрамовой мишени в длительном режиме работы трубки, составляющая не более 1 Вт на 1 мкм поперечного сечения электронного луча.
Другим недостатком микрофокусных трубок отражательного типа является невозможность размещения исследуемого образца на малом расстоянии от поверхности мишени, с которой происходит эмиссия рентгеновского излучения.
Преимущества острофокусных/микрофокусных рентгеновских трубок могут быть максимально реализованы при использовании анодов прострельного типа, в отличие от анодов отражательного типа, размещением объекта исследований на малом расстоянии (доли мм - единицы мм) от излучающей поверхности.
Известны микрофокусные рентгеновские трубки (прототип), анодный узел которых содержит тонкопленочную мишень прострельного типа, представляющую собой металл с высоким атомным номером, нанесенный на выходное окно, расположенное в торце длинной анодной пролетной трубы [2]. Подводимая электронным пучком к мишени мощность отводится за счет теплопроводности материалов выходного окна и пролетной трубы.
2
Недостатками микрофокусных рентгеновских источников прострельного типа с плоскими составными анодами является еще меньшая мощность излучения по сравнению с трубками, имеющими массивный анод. Для традиционно используемой комбинации материалов: тонкопленочная мишень - вольфрам, выходное окно – бериллий, значение допустимой температуры ограничено нагревом выходного окна и находится в районе 2000°С. Рассеиваемая на составном аноде мощность в этом случае ограничена уровнем 0,5 Вт на 1 мкм в длительном режиме работы [3, 4]. Превышение указанного предела мощности приводит к разогреву и расплавлению материла анода и его разрушению.
Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в создании микрофокусной рентгеновской трубки с анодом прострельного типа, конструкция которого позволяет рассеивать большие тепловые мощности, выделяемые в результате бомбардировки поверхности мишени сфокусированными высокоэнергетическими электронами. Конструктивно анод предлагаемого рентгеновского источника представляет собой тепловую трубу [5], часть корпуса которой, обращенная к катоду, является мишенью и нагревается за счет бомбардировки ускоренными и сфокусированными электронами. Испаренный теплоноситель, находящийся в контакте с мишенью, уносит энергию из малой области нагрева мишени и передает ее другой, холодной или принудительно охлаждаемой части корпуса тепловой трубы, где теплоноситель конденсируется и возвращается в зону испарения. Данная часть корпуса тепловой трубы является окном для вывода рентгеновского излучения наружу. Тепловая труба является эффективном средством отвода тепла, так как вместо достаточно медленного электронного механизма переноса тепла в сплошном металлическом теплопроводе здесь действует молекулярный механизм переноса кинетической и колебательной энергии хаотического движения отдельных частиц вещества испарителя. При скорости испарения жидкости порядка нескольких грамм за секунду с паром уносится тепловой поток, оцениваемый киловаттами. Образовавшийся конденсат возвращается в зону испарения или под действием капиллярных сил, которые обеспечиваются размещением специализированной капиллярной структуры внутри тепловой трубы, или за счет действия силы тяжести (последняя конструкция обычно именуется термосифоном).
На фиг. 1 без сохранения пропорций показана схема анодного узла аксиально-симметричной микрофокусной рентгеновской трубки прострельного типа, анод которой выполнен в виде тепловой трубы 1, например в виде термосифона дискообразной формы, т.е. является герметичным теплопередающим устройством, работающим по замкнутому испарительно-конденсационному циклу. Корпус (оболочка) тепловой трубы 1 состоит из двух герметически соединенных частей - дна 2 и крышки 3, и находится в тепловом контакте с источником 4 и стоком 5 тепла. Источником 4 тепла являются бомбардирующие поверхность дна 2 корпуса трубы 1, например, вблизи оси симметрии устройства высокоэнергетические сфокусированные электроны 6. Дно 2 корпуса тепловой трубы 1, подвергающееся электронной бомбардировке, играет роль мишени анода, назначение которой - эмиссия рентгеновского излучения 7. Для эффективной генерации рентгеновских квантов мишень 2 должна изготавливаться из металла с высоким атомным номером, например из вольфрама. Тепловая энергия, выделяемая в мишени 2, затрачивается на испарение теплоносителя 8, заключенного внутри корпуса тепловой трубы 1. Толщина мишени 2 должны быть достаточно малой для эффективной передачи тепла теплоносителю 8. Молекулы пара 9 вещества теплоносителя с большой скоростью перемещаются к холодной крышке 3 тепловой трубы 1, отдают ей энергию, здесь пар охлаждается и конденсируется. Образовавшийся конденсат 10 возвращается в зону нагрева 4 теплоносителя 8. Сток тепла 5 обеспечивается крышкой 3 и частью дна 2 корпуса тепловой трубы 1, контактирующими с внешней средой и массивным корпусом анода 11. Для эффективного стока тепла крышка 3 корпуса 1 должна изготавливаться из фольги металла с хорошей теплопроводностью. Направленное стекание конденсата 10 из зоны стока 5 тепла в область нагрева 4 обеспечивается выпуклыми формами дна 2 и крышки 3 корпуса тепловой трубы 1. Рентгеновское излучение 7, испущенное мишенью 2, выпускаются наружу через крышку 3 корпуса 1, играющую роль выходного окна, и поэтому предпочтительным материалом для ее изготовления является фольга из металла с низким атомным номером, например из бериллия.
Таким образом, решение технической задачи достигается тем, что микрофокусный рентгеновский источник содержит катодно-модуляторный узел, фокусирующую систему и анод, служащие для эмиссии электронного потока с катода, ускорения потока и его фокусировки на аноде, при этом анод прострельного типа изготавливается в виде тепловой трубы, работающей по замкнутому испарительно-конденсационному циклу, часть корпуса которой, обращенная к катоду, является мишенью анода, т.е. источником рентгеновского излучения, и нагревается за счет бомбардировки ускоренными и сфокусированными электронами, что приводит к испарению теплоносителя, находящегося в контакте с мишенью, переносу тепловой энергии молекулами пара вещества теплоносителя из области нагрева мишени к другой, естественно или принудительно охлаждаемой части корпуса тепловой трубы, обращенной наружу во внешнее пространство и играющей дополнительную роль выходного окна для рентгеновского излучения, где теплоноситель конденсируется и возвращается в зону испарения под действием силы тяжести или за счет капиллярных сил, возникающих в капиллярной структуре, специально размещаемой внутри тепловой трубы, а полученное охлаждаемой частью корпуса тепловой трубы тепло рассеивается в окружающее пространство, и таким образом за счет переноса скрытой тепловой энергии молекулами пара вещества теплоносителя обеспечивается многократное повышение уровня рассеиваемой мощности на мишени анода по сравнению с составными металлическими анодами, в которых отвод тепла от мишени происходит в соответствии с механизмом электронной теплопроводности.
Рентгеновская трубка работает следующим образом.
Предварительно сформированный в катодно-модуляторном узле (не показанном на фиг. 1) и сфокусированный полем системы фокусировки (не изображенной на фиг. 1) электронный поток 6 ускоряется напряжением, приложенным между катодом и анодом 1 (фиг. 1). Ускоренные электроны 6 поглощаются мишенью 2, являющейся фольгой металла предпочтительно с высоким атомным номером, например вольфрама, и вызывают эмиссию рентгеновского излучения 7 из области 4 с малыми поперечными размерами. Рентгеновское излучение 7 выводится наружу через окно 3, изготавливаемое из фольги металла с высокой степенью прозрачности для рентгеновских лучей, например бериллия. Мишень 2 и выходное окно 3, имеющие выпуклую форму и герметически соединенные по внешнему контуру, является тепловой трубой 1, во внутреннее пространство которой помещается теплоноситель 8. Поскольку основная часть энергии бомбардируемых электронов выделяется в мишени 2 в виде тепла, то теплоноситель 8, контактирующий с областью нагрева 4, нагревается и затем испаряется. Пар 9 вещества теплоносителя устремляется к выходному окну 3, охлаждаемому естественным образом или принудительно, отдает тепло материалу окна 3, конденсируется и возвращается в виде конденсата 10 в зону испарения под действием капиллярных сил, которые обеспечиваются размещением специализированной капиллярной структуры внутри тепловой трубы (не показанной на фиг.1), или за счет действия силы тяжести. Сток 5 тепла из нагреваемых паром 9 областей тепловой трубы 1 в окружающее пространство и в массивный анодный корпус 11 является последним звеном механизма эффективного рассеяния тепловой энергии из зоны 4 бомбардировки мишени 2 электронным лучом 6 во внешнюю среду.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов С.А., Щукин Г.А. Рентгеновские трубки технического назначения. - Л.: Энергоиздат, 1989. - 200 с.
2. Иванов С.А., Иоффе Ю.К., Кириенко С.В., Щукин Г.А. Малогабаритные источники рентгеновского излучения. Обзоры по электронике. Сер. электровакуумные и газоразрядные приборы. - М.: ЦНИИ «Электроника», 1987. - вып. 4 (1298). - 55 с.
3. Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. - М. - Л.: Энергия, 1966 - 568 с.
4. Иванов С.А., Кириенко С.В., Щукин Г.А. Расчет тепловых процессов в анодах рентгеновских трубок // Обзоры по электронной технике, 1986. - Сер. 4, вып. 2(1175).
5. Москвин Ю.В., Филиппов Ю.А. Тепловые трубы // Теплофизика высоких температур, 1969. - N.7, №4. - С. 766-775.