РЕНТГЕНОВСКИЙ ИСТОЧНИК

Полезная модель относится к рентгеновской технике, а именно к рентгеновским источникам, в частности к компактным рентгеновским источникам.
В настоящее время направление вакуумной электроники, в частности рентгеновская техника, развивается очень активно. Это связано с развитием техники и технологии модификации материалов, использующихся в устройствах. Для рентгеновского источника изготавливают мембранные аноды, которые обладают большей рентгенопрозрачностью при аналогичном запасе механической прочности. Также применяют катоды рентгеновского источника с увеличенным сроком активной эксплуатации. В результате повышается надежность рентгеновского источника в целом. Как результат, расширяется область применения рентгеновского источника: профилактика заболевания зубов в медицине, контроль грузов на вокзалах, анализ состава веществ, контроль сварных соединений трубопроводов в промышленности, рентгеновская литография в наноэлектронике, контроль подлинности полотен в искусстве. Однако область применения рентгеновского источника зависит от ряда выходных параметров. Одним из ключевых выходных параметров является размер рентгеновского фокусного пятна, который позволяет облучать необходимую для исследования площадь поверхности, при этом не допускать опасной для человека дозы рентгеновского излучения. Поэтому разработка источников рентгеновского излучения с перестраиваемым размером рентгеновского фокусного пятна является актуальной и практически значимой задачей, в результате выполнения которой расширится область применения каждой конкретной модели рентгеновского источника.
Известен источник рентгеновского излучения, содержащий автокатод, антикатод, окно, вакуумированный или газонаполненный рабочий объем, средства формирования электронных потоков и систему питания ячеек [1].
К недостаткам устройства можно отнести сложный ремонт конструкции, так как демонтаж антикатода является сложной задачей после герметизации источника для вакуумирования или газонаполнения рабочего объема.
Известно техническое решение рентгеновского источника, включающего в себя вращающийся анод, источник электронов [2]. Генерация рентгеновского излучения осуществляется посредством совпадения направлений электронного пучка и центробежной силы, вращающей анод.
К недостаткам изобретения можно отнести изменение свойств материала анода после разогрева выше значения температуры плавления, что вносит механические напряжения, которые изменяют расстояние между атомами материала, а значит, на фокус рентгеновского излучения. Также сложно осуществить высокую точность совпадения направлений электронного пучка и центробежной силы, действующей на мишень анода. Кроме того, для постоянного расплавления разных областей материала мишени анода, требуется поддерживать высокую эмиссию электронов. Это может привести к тепловой деградации источника электронов.
Известен рентгеновский источник, содержащий вакуумный корпус, анод со сквозными открытыми, или глухими, или и теми и другими каналами с проводящими стенками, выполненными с возможностью подачи на них заданного потенциала и содержащими материал, способный излучать рентгеновское излучение при облучении электронами достаточной энергии, катод, окно для рентгеновского излучения и вспомогательные средства, причем анод выполнен с возможностью непосредственного крепления к корпусу, каналы анода содержат материал или разные материалы мишени на всем их протяжении или на части их длины и выполнены с характерным размером поперечного сечения в пределах от 0,001 до 1,0 от длины каналов, направлены или в одну и ту же точку, называемую фокусом, или в несколько точек, фокусов, или во множество точек, задающих требуемый узор, а окно выполнено или прилегающим к аноду, или в одном узле с ним или в его составе так, что примыкает к поверхности анода со стороны закрытых концов глухих каналов или с любой одной стороны, если все каналы открытые [3].
Недостатком является сложность изготовления ренттеногенерирующих каналов анода под разным углом. Сквозные отверстия в аноде требуют введения дополнительного элемента в конструкцию для герметизации устройства с целью формирования вакуума.
Кроме того, теряется часть потока электронов с катода, попадающая в зазоры между отверстиями каналов анода, что снижает максимальную величину рентгеновского излучения, в том числе, в точке фокуса.
Также интенсивность одного катода недостаточна для генерации достаточного электронного потока для каждого из каналов в аноде. В случае увеличения напряжения на катоде для достижения необходимой интенсивности, повышается вероятность тепловой деградации катода, следовательно, сокращается срок службы.
К недостаткам можно отнести невозможность получения излучения от конкретного материала мишени анода, так как при каждом экспонировании анода электроны попадают во все каналы одновременно. Следовательно, рентгеновские волны накладываются друг на друга в точке фокуса, что приводит к помехам при детектировании сигнала.
Известна рентгеновская трубка, включающая в себя вращающийся анод, катод, корпус, электромагнитную систему для отклонения или собирания пучка электронов с катода [4].
Недостатком технического решения является дорогостоящий ремонт электромагнитной системы рентгеновской трубки за счет сложной конструкции устройства. Значительную вероятность поломки доказывает факт наличия движущихся деталей в конструкции - вращающийся анод. Фокусировка рентгеновского пятна осуществляется посредством изменения фокусировки электронного пучка. Поломка электромагнитной системы ведет к постоянному размеру фокуса рентгеновского пятна.
Известна рентгеновская трубка, состоящая из цилиндрического анода, кольцевого катода, фокусирующего электрода, корпуса трубки [5].
Фокусировка рентгеновского пятна осуществляется посредством фокусировки электронного пучка за счет изменения потенциала катода и внутренней части конструкции трубки. Это приводит к снижению тока катода (потока электронов), которые достигают анода для преобразования в рентгеновское излучение. Следовательно, интенсивность рентгеновского излучения снижается, что ухудшает выходные характеристики устройства в целом.
Наиболее близким по технической сути является рентгеновский источник, включающий в себя вакуумный корпус, катод, анод, содержащие различные материалы для генерации рентгеновского излучения с разной длиной волны, причем применяется матрица в виде барабана с набором отпаянных рентгеновских трубок, включающих катоды и аноды [6].
Недостатком прототипа является постоянный размер рентгеновского фокусного пятна, который ограничивает область применения конструкции. В некоторых областях применения необходим малый - микрофокусный - размер рентгеновского фокусного пятна. Например, в медицине в области стоматологии для профилактики заболевания зубов. Это позволяет облучать локальные области человека, не допуская дополнительного вредного облучения рентгеном. С другой стороны, в промышленности необходим большой - макрофокусный - размер фокусного пятна для контроля сварных соединений трубопроводов.
Задачей настоящей полезной модели является расширение области применения рентгеновского источника за счет корректировки размера рентгеновского фокусного пятна.
Поставленная задача решается тем, что изготавливают рентгеновский источник, включающий в себя вакуумный корпус, катод, анод, содержащие различные материалы для генерации рентгеновского излучения с разной длиной волны, матрицу в виде барабана с набором отпаянных рентгеновских трубок, включающих катоды и аноды, причем форма анода выполнена в виде вогнутой или выпуклой полусферы.
В предлагаемой полезной модели применяются отпаянные рентгеновские трубки с вакуумной атмосферой внутри корпуса. Данная трубка монтируется в барабане посредством резьбового соединения. Барабан представляет собой цилиндр со сквозными отверстиями, в которых сделана резьба.
Ключевой особенностью полезной модели является форма анода, который представляет собой тонкую пленку, часть которой расположена на кремниевом основании и часть в воздухе (мембрана). Можно осуществлять корректировку размера рентгеновского фокусного пятна за счет изменения кривизны мембраны, аналогично принципу работы собирающих или рассеивающих линз.
0
1
1
Корректировка рельефа мембраны осуществляется посредством двух факторов. Первый фактор - внутренние механические напряжения в пленке, которые бывают сжимающими или растягивающими. Изменение механических напряжений зависит от корректировки технологических параметров процесса осаждения пленки (температура осаждения, соотношение расхода газов, давление в реакционной камере, конструкция реакционной камеры). Второй фактор - внешнее давление на мембрану. Внутри корпуса - вакуумная атмосфера Р (примерно 0,0001 атм), снаружи корпуса - контролируемая атмосфера Р. Контролируемая атмосфера Pможет составлять единицы атмосфер.
На фиг. 1 представлена конструкция устройства, где: 1 - матрица в виде барабана катодов, 2 - вакуумный корпус, 3 - матрица в виде барабана анодов, 4 - оснастка матрицы барабана анодов, 5 - мембрана единичного анода из матрицы барабана анодов. На фиг. 2 показана конструкция выгнутой мембраны единичного анода из матрицы барабана анодов для большого размера рентгеновского фокусного пятна, где 6 - размер рентгеновского фокусного пятна. На фиг. 3 показана конструкция вогнутой мембраны единичного анода из матрицы барабана анодов для меньшего размера рентгеновского фокусного пятна.
0
1
1
0
1
0
Рентгеновский источник с изменяемым размером рентгеновского фокусного пятна работает следующим образом. Под действием высокого напряжения электроны с катода инжектируют в анод при вакуумной атмосфере Р. В процессе соударения с атомами металлической пленки мишени анода происходит тормозное рентгеновское излучение. Для изменения радиуса кривизны мембрана единичного анода из матрицы барабана анодов изменяют давление P внутри оснастки матрицы барабана анодов. Из-за разницы давлений (Р-Р) мембрана единичного анода изменяет рельеф, что приводит к корректировки размера рентгеновского фокусного пятна d. Для увеличения величины d необходимо увеличивать разницу P - Р.
Конкретный пример исполнения. Сначала изготавливают матрицу анодов. На кремниевое основание толщиной 670 мкм осаждают на лицевую сторону оксид кремния 600 нм, нитрид кремния 130 нм и слой вольфрама (выбор материала зависит от требуемой длины волны) 400 нм. После этого, осаждают на обратную сторону слой алюминия 500 нм. Проводят фотолитографию с обратной стороны основания. Удаляют последовательно части материалов, незащищенные маской:
алюминий, нитрид кремния, оксид кремния и кремний. Затем разделяют структуру на кристаллы. Каждый кристалл представляет собой вольфрамовый анод в форме круга диаметром 1.4 мм на квадратном кремниевом основании со стороной 6 мм.
Далее изготавливают матрицу катодов. На кремниевое основание толщиной 670 мкм осаждают на лицевую сторону оксид кремния 600 нм, нитрид кремния 130 нм. Затем проводят фотолитографию для формирования катодных цилиндров. После этого, удаляют незащищенные слои нитрида кремния 130 нм, оксида кремния 600 нм и кремния 3 мкм. Следующим шагом выполняют заточку катодов посредством сухого окисления в атмосфере азота. Далее формируют металлизацию, вскрывают острия катодов для последующего формирования пучка электронов. После этого разделяют пластину на кристаллы.
1
Следующим шагом монтируют одну или несколько рентгеновских трубок (в зависимости от того, сколько длин рентгеновского излучения требуется), соединяя кристаллы с отдельными катодами и анодами из матриц. После этого монтируют оснастку матрицы барабана анодов к матрице в виде барабана анодов и формируют необходимую величину давления P внутри оснастки. Затем подается напряжение 10 кВ и регистрируется рентгеновское излучение.
Обеспечивается расширение области применения рентгеновского источника за счет вариации размера рентгеновского фокусного пятна, которое контролируется и изменяется посредством выбора формы анода.
Источники информации:
1. Патент РФ №2586621.
2. Патент РФ №2068210.
3. Патент РФ №2617840
4. Патент США №5812632.
5. Патент РФ №2328790.
6. Патент РФ №182856 - прототип.