РЕНТГЕНОВСКИЙ ИСТОЧНИК
X-RAY SOURCE

Изобретение относится к рентгеновской технике, а именно к рентгеновским источникам, в частности к компактным рентгеновским источникам.
Далее в тексте, если не указано иное, под словом мишень понимается объект, который испускает рентгеновское излучение под действием электронов, имеющих достаточную энергию, под словами материал мишени понимается материал, из которого сделана или может быть сделана мишень, под словом анод имеется в виду анод, совмещающий функции мишени, то есть либо выполненный из проводящего материала, подходящего для генерации требуемого рентгеновского излучения, либо выполненный не из материала мишени, например из материала с высокой теплопроводностью, но имеющий покрытие или иные включения из материала мишени, или выполненный составным из нескольких материалов. Также далее под точкой фокусировки рентгеновского потока подразумевается не точка в строгом математическом смысле, а точка или область, в направлении которой поток существенно интенсивнее, чем других направлениях.
Известны миниатюрные рентгеновские источники, близкие по характеристикам к точечным источникам, у которых катод выполнен кольцевым, а анод, являющийся замедлителем электронов и излучающий рентгеновское излучение, выполнен в виде иглы, конуса или шарика, помещенного вблизи центра кольца (например, патенты RU 2160480, RU 2174726, RU 2522987).
Недостатком их является ограниченность интенсивности рентгеновского потока, вызванная опасностью перегрева анода малых размеров при большом токе ускоренных электронов.
Известны также компактные рентгеновские источники, у которых окно для выхода рентгеновского излучения и анод с мишенью или анод, совмещающий функции мишени, выполнены в виде единого узла, например окно выполнено из того же материала, что и анод или мишень, или окно выполнено из одного материала, а анод - из другого материала или из смеси материалов (например, патенты US 8837680, US 2922904, заявка US 20080170668, …).
Их недостатком является малая площадь окна, связанная с тем, что суммарная толщина окна с анодом ограничена требованиями к степени пропускания ими рентгеновского излучения, а при малой толщине мало избыточное давление, которое может выдержать подобное окно, с одной стороны которого находится вакуумированный объем. Другим их недостатком является использование, как правило, в качестве материала окна с высоким коэффициентом пропускания рентгеновского излучения бериллия, имеющего ряд недостатков: вредность для здоровья и связанные с этим обязательные меры при производстве и утилизации, технологические трудности при соединении, высокая стоимость материала. Кроме того, бериллиевые окна приходится покрывать специальной пленкой для обеспечения герметичности, стойкости к коррозии и защиты от воздействия высоких температур и влажности.
Наиболее близким из аналогов к предлагаемому изобретению в отношение решения увеличения площади окна и исключения использования в качестве материала окна бериллия является рентгеновская трубка по патенту US 7035378, в которой вместо бериллия использован пиролитический графит, а окно имеет сферическую форму, выдерживающую больший перепад давлений, чем плоское окно.
Недостатком данного технического решения является сложность выполнения сферического тонкого окна большой площади из пиролитического графита, а также опасность его разрушения при эксплуатации.
Известны рентгеновские источники со средствами задания формы потока излучения, т.е. с той или иной степенью фокусировки (Мазурицкий М.И. Способы фокусировки и разложения в спектр рентгеновского излучения. Соросовский образовательный журнал. - Т. 7, №10. - 2001. - С. 95-101). В источнике по патенту US 7042982, например, использованы фокусирующие массивы капилляров и зонные пластинки.
Недостатком их является избыточность достигаемого результата для большинства применений, когда не нужны слишком точная фокусировка или фильтрация спектра и т.п., достигаемые за счет ухудшения других характеристик источника, например интенсивности излучения, и приводящая к его удорожанию.
Ближайшим к предлагаемому изобретению аналогом в отношении задания формы рентгеновского потока является рентгеновский источник, в котором генерация рентгеновского излучения происходит в результате взаимодействия электронов с внутренними стенками параллельных друг другу открытых или глухих каналов, выполненных в металлическом аноде (заявка US 20150262783). Узкие каналы в данном изобретении применены для существенного увеличения эффективности использования электронного потока для генерации рентгеновского излучения путем обеспечения повторных соударений отразившихся от поверхности анода электронов со стенками каналов. Описанный анод излучает преимущественно вдоль каналов, так как излучение других направлений экранируется стенками каналов.
Недостатком его является возможность получения потока только одной формы - потока, близкого к параллельному (насколько он близок к параллельному, т.е. насколько вытянута диаграмма направленности потока, зависит от длины каналов). Другим недостатком данного источника является отсутствие сведения для излучения, генерированного вблизи выходного конца канала или в дне глухого канала.
Тонкие просветные аноды и мишени, используемые в компактных рентгеновских источниках, требуют ограничения мощности, подводимой к ним электронным пучком, так как имеют, как и окно, на которое они нанесены, малое поперечное сечение (тонкие, чтобы пропускали рентгеновское излучение), не обеспечивающее отвода большого потока тепла, которое в результате может их разрушить. Теплоотвод в окружающую атмосферу через поверхность окна также мал из-за малой площади окна и низкой теплоотдачи при естественном воздушном охлаждении. Известны рентгеновские источники, содержащие находящиеся в контакте с мишенью дополнительные слои из материала с высокой теплопроводностью (например, US 9008278) или массивные находящиеся с мишенью в тепловом контакте элементы, служащие аккумулятором тепла (патент RU 2479883).
Недостатком этих устройств является то, что они эффективны лишь при импульсном режиме работы источника, а средняя их мощность мала.
В источнике по патенту US 5148462 анод содержит материал мишени и находящийся в тепловом контакте с ним алмазный теплоотвод.
Недостатком такого решения является необходимость использования алмазного слоя, так как слои из других материалов не обеспечивают достаточного теплоотвода при малой толщине, технологические трудности, связанные с обработкой алмаза, а также необходимость дополнительных проводящих слоев.
Задачи, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, следующие:
- обеспечение возможности использования окон и анодов больших размеров,
- возможность использования безвредных и технологичных материалов вместо бериллия,
- обеспечение надежной герметизации окон,
- сведение технологии к хорошо освоенным промышленностью приемам,
- обеспечение возможности получения мощных потоков рентгеновского излучения.
Для решения указанных выше задач предлагается рентгеновский источник, который содержит:
- вакуумный корпус;
- анод в виде однородной (из одного материала) или составной (разные части анода выполнены из разных материалов) пластины со сквозными (открытыми с обеих сторон), или глухими (имеющими на одном из концов вместо выхода дно из материала мишени с толщиной, обеспечивающей достаточное пропускание рентгеновского излучения), или и с теми и другими каналами с проводящими стенками, содержащими на всем их протяжении или на части их длины начиная от открытых (входных концов) материал или разные материалы мишени, способные излучать требуемое рентгеновское излучение при облучении электронами достаточной энергии, и выполненными с возможностью подачи на них заданного потенциала, причем каналы (их оси, или образующие, или нормали к какой-либо точке поперечного сечения и т.д.) направлены либо в одну и ту же точку (фокус), расположенную с внешней или с внутренней стороны от мишени (вне или внутри корпуса), либо в несколько разных точек (несколько фокусов), либо во множество точек, образующих требуемый узор, и имеют характерный размер поперечного сечения в пределах от 0,001 до 1,0 от толщины анода;
- стенки каналов, направленных как в одну, так и в разные стороны, могут содержать одинаковые или разные материалы мишени;
- толщина анода выбрана достаточной - с учетом его площади и формы - для сохранения целостности анода при действии на него разности давлений вне и внутри корпуса;
- анод выполнен с возможностью крепления его непосредственно к корпусу рентгеновского источника (а не только, например, к окну);
- окно, которое выполнено или прилегающим к аноду, или в одном узле с ним, или в его составе так, что примыкает к поверхности анода (в т.ч. может составлять одно целое с ним) со стороны внешних (по отношению к корпусу) концов каналов;
- катод или катодный узел с необходимыми средствами формирования электронного потока;
- вспомогательные средства.
Характерным, оценочным, размером поперечного сечения канала является диаметр канала, если он имеет круглое сечение, или величина порядка корня квадратного из площади поперечного сечения канала - при любых формах его поперечного сечения.
Анод в данном изобретении выполняет несколько функций:
- является собственно анодом (положительным электродом);
- является мишенью (источником рентгеновского излучения требуемой длины волны);
- принимает на себя нагрузки на окно от внешнего давления (передает их на корпус, к которому крепится), препятствуя разрушению окна, например, при нормальном атмосферном (внешнем) давлении или при экстремальном (давление при глубоководном погружении, взрывах, исследованиях при высоких давлениях и т.п.);
min
max
max
-5
-2
-3
-3
- обеспечивает преимущественное направление генерируемого в стенках канала излучения вдоль этого канала (поглощением значительной части излучения другой направленности). Расходимость пучка из одного канала определяется отношением характерного размера поперечного сечения канала d к длине канала l и зависит от глубины u канала, до которой на его стенки нанесен материал мишени. Под расходимостью излучения в приближении канала круглого сечения имеется в виду угол при вершине в осевом сечении конуса, который охватывает излучаемый поток. Расходимость излучения, генерируемого у входной части канала круглого сечения, составляет α=arctg(2d/l)≈2d/l, а расходимость излучения из частей канала, расположенных в наиболее глубоких точках, где еще имеется материал мишени, возрастает до α=arctg[2d/(l-u)]≈2d/(l-u). Таким образом, излучаемый каналом диаметром d, длиной l и глубиной u покрытия стенок материалом мишени поток рентгеновского излучения будет находится внутри конуса с углом при вершине α=arctg[2d/(l-u)]≈2d/(l-u). Для оценки: при d=10 м, l=10 м и u=5⋅10 м расходимость составит примерно 4⋅10 рад, или порядка 0,2°;
- обеспечивает возможность преимущественной фокусировки рентгеновского излучения в одной точке или в нескольких точках с любой стороны от мишени (для внешнего наблюдателя фокус внутри корпуса источника может рассматриваться как мнимый фокус), а также во множестве точек, создавая заданный - в пределах разрешения данной схемы - рисунок с помощью выбора направлений отдельных каналов (задавать несколько рентгеновских лучей, направленных в разные стороны, задавать рисунки облучения, причем не обязательно симметричные относительно оси окна, и другие конфигурации);
- обеспечивает повышение эффективности преобразования энергии электронного потока в энергию рентгеновского излучения, так как частично компенсирует непроизводительное (без генерации рентгеновского излучения) отражение электронов, рикошеты, от поверхности мишени путем возможности использования каждым из электронов множества попыток генерации благодаря повторному попаданию отразившихся электронов, не потерявших энергии, в стенки узких каналов;
- в глухих каналах внешний выход из канала перекрыт слоем материала мишени, достаточно тонким, чтобы быть прозрачным для рентгеновского излучения, но и достаточно толстым, чтобы обеспечивать поглощение падающего на него потока электронов, это позволяет увеличить рентгеновский поток за счет электронов, отразившихся от стенок каналов при всех рикошетах, но эта часть рентгеновского потока не будет коллимирована и может быть полезной, например, при расположении объекта облучения вблизи окна;
- обеспечивает эффективный теплоотвод как от локальных зон перегрева анода, так и от анода в целом, т.к. лишь часть объема анода занята каналами, а остальная часть имеет достаточно большую для передачи тепла площадь поперечного сечения и может передавать значительные потоки тепла внешним элементам (корпусу, радиаторам или иным узлам), и теплоотвод может быть увеличен в вариантах изобретения или включением в состав анода частей, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, например из меди, или увеличением среднего поперечного сечения анода путем или увеличения толщины анода, или изменения количества и/или диаметра каналов, или изменения плотности или порядка расположения каналов. В варианте изобретения корпус рентгеновского источника выполнен с возможностью обеспечения теплового контакта торцевой области анода с внешними средствами теплоотвода.
Анод может быть выполнен:
- в виде сплошного проводящего слоя из материала мишени или из нескольких разных материалов, пригодных для использования в качестве мишеней, в котором выполнены описанные выше каналы;
- в виде формообразующей основы из слоя материала, выбранного с учетом тех или иных задач, в котором выполнены каналы, на поверхности которых нанесен хотя бы один материал мишени в виде или пятен, или сплошного слоя, или каких-либо других геометрических форм. Формообразующая основа может быть выполнена из материала с высокой теплопроводностью. Формообразующая основа может быть сформирована из того же материала, что и окно, или из другого. Например, окно можно изготовить из оксида кремния (оптически прозрачное), а слой с каналами выполнить из кремния (для обеспечения большей теплопроводности) и нанести затем на поверхность каналов материал мишени, например молибден. Аналогично, можно выполнить окно из никеля (устойчиво к атмосферным воздействиям), слой с каналами - из меди (высокая теплопроводность), а на поверхность каналов нанести материал мишени или не наносить ничего, так как медь и сама является широко используемым материалом мишени.
Выбор материала и толщины окна предлагаемого рентгеновского источника может быть сделан практически без учета требований к прочности окна, так как, благодаря тому, что окно в предлагаемом источнике прилегает без зазоров к аноду достаточной прочности, а отверстия каналов малы, оно может быть изготовлено настолько тонким, что поглощением рентгеновского излучения в нем можно будет пренебречь практически при любом материале окна. То же преимущество в выборе толщины окна и его материала сохраняются и в вариантах изобретения, в которых окно выполнено не как отдельная прикладываемая к аноду деталь, а в едином узле с достаточно прочным прилегающим к нему анодом или выполнено в составе анода в виде единой детали с ним, изготовленной из того же или другого материала или из нескольких материалов (например, многослойное пленочное окно).
Окно может быть изготовлено либо из кремния, либо из оксида кремния, либо из нитрида кремния, либо с чередованием слоев из этих материалов в каком-либо сочетании. Такой выбор материалов способен удовлетворять разным возможным требованиям к свойствам окна, а создание таких слоев широко освоено.
Вспомогательными средствами являются узлы и детали, обеспечивающие основной процесс генерации рентгеновского излучения и использования его. Ими могут быть, например:
- блоки управления катодным узлом, который может включать термо- или автокатод, вытягивающие и/или фокусирующие электроды, блоки их питания;
- блоки формирования постоянного или модулированного высокого напряжения;
- система управления источником в целом (выключатели, блокировки, регуляторы интенсивности и модуляции электронного пучка, регуляторы величины высокого напряжения и его формы, индикаторы функционирования и т.п.);
- средства контроля величины и формы рентгеновского потока;
- средства для отвода тепла и другие средства.
Например, в варианте исполнения корпус предлагаемого источника может быть снабжен находящимся в тепловом контакте с торцевой областью анода внешним радиатором.
Цифрами на фиг. 1-3 обозначены:
1 - корпус,
2 - анод,
3 - каналы,
4 - окно выходное для излучения,
5 - фокус,
6 - рентгеновское излучение,
7 - поток электронов,
8 - катод (катодный узел),
9 - формообразующая основа.
10 - материал мишени,
11 - радиатор.
На фиг. 1 схематично (без необходимых, но общеизвестных элементов) изображен вариант предлагаемого рентгеновского источника в разрезе.
На фиг. 2 изображен в разрезе анод с окном в одном из вариантов изобретения:
- с каналами, ориентированными в сторону двух фокусов (5а и 5б),
- со стенками, содержащими материал мишеней только на начальной части их длины,
- с разными материалами мишени (10а и 10б) на стенках разных каналов,
- с теплоотводом в виде радиатора (изображен условно), находящегося в тепловом контакте с торцом анода.
На фиг. 3 изображен в разрезе анодный узел в варианте исполнения с двумя фокусами и с радиатором для теплоотвода, рассчитанный на изготовление по групповой технологии.
Примером конкретного исполнения предлагаемого рентгеновского источника может служить источник для исследования геологических образцов, который схематически изображен на фиг. 3. Он имеет корпус 1 диаметром 25 мм из стекла, анод 2 с формообразующей основой из кремния толщиной 10 мм, в котором в пределах окружности диаметром 20 мм выполнено 100 сквозных отверстий 3 каналов диаметром 0,5 мм, из которых 50 сориентировано в направлении фокуса 5а, находящегося в 100 мм перед анодом и в 50 мм в стороне от его оси, а 50 - в направлении фокуса 56, расположенного в 100 мм вдоль оси. С одной стороны отверстия закрыты окном 4 из оксида кремния толщиной 3 мкм, покрывающего всю наружную поверхность анода. Технология изготовления различных узлов, сочетающих эти два материала, кремний и оксид кремния, хорошо отработана и позволяет обеспечить групповое изготовление подобных узлов. Стенки каналов с их открытой стороны до половины глубины покрыты слоями 10а и 10б толщиной 0,1 мм из разных материалов мишени, молибдена (10а) и меди (10б), длины волн характеристического рентгеновского излучения которых отличаются в среднем (по разным линиям) примерно в 7,5 раз, причем стенки каналов, ориентированных на разные фокусы, покрыты разными материалами. Слой кремния, в котором сформирован анод, продолжается за пределы анода, имеет диаметр 50 мм и выступает за пределы корпуса 1 в виде кольца шириной 10 мм, который выполнен в виде охлаждающего радиатора 11 со 150 сквозными отверстиями диаметром 2 мм для продувки воздуха. Кремний имеет высокую теплопроводность, лишь немного уступающую теплопроводности алюминия, что позволяет эффективно отводить тепло от материала мишени и использовать режимы работы рентгеновского источника с большими токами и напряжениями. На анод подается напряжение 45 кВ, а катодный узел выполнен из массива автокатодов и обеспечивает ток до 5 мА. Центробежный вентилятор мощностью 10 Вт встроен в кожух источника, который (как и катодный узел, и блоки питания, и средства электрической изоляции и т.д.) не показан на чертеже. Возможность облучения исследуемых образцов рентгеновским излучением разной длины волны дает дополнительные возможности для выводов о составе и свойствах образцов.
Предлагаемый рентгеновский источник обеспечивает возможность использования для изготовления окна материалов с низким пропусканием рентгеновского излучения и с характеристиками, требуемыми для повышения надежности устройства и упрощения технологии его изготовления, позволяет изготавливать окна большой площади, позволяет увеличить мощность рентгеновских источников путем эффективного использования электронного потока и улучшенного теплоотвода, повышает удобство пользования источником, а также позволяет задавать в широких пределах форму потока рентгеновского излучения.