РЕНТГЕНОВСКИЙ ИСТОЧНИК И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
X-RAY SOURCE AND METHOD OF GENERATING X-RAYS

Настоящее изобретение относится к рентгеновской технике, а именно к рентгеновским источникам, в частности к компактным рентгеновским источникам.
В настоящее время современная геология, медицинская техника, системы безопасности, а также передовое аналитическое и технологическое оборудование ощущают острую потребность в создании портативных миниатюрных рентгеновских источников с малым энергопотреблением для оперативного анализа структуры различных объектов. Например, электронная и зондовая микроскопия позволяют получать изображение поверхности объектов. Во многом свойства материалов связаны с их внутренней структурой. Для получения сведений часто используют сколы и шлифы, либо послойное травление поверхности ионным пучком. Но эти разрушающие и дорогие методы не дают полной и оперативной информации об объекте, о его внутреннем состоянии. Существует ряд проблем как с подготовкой образцов для проведения исследований, так и с интерпретацией полученных результатов. Актуальны в последнее время стали тонкие многослойные структуры, например, использующиеся в качестве анода рентгеновского источника. Особенностью таких структур является прочность и рентгенопрозрачность. Причем прочность структуры выдерживает перепад давлений в 1 атмосферу, то есть обеспечивает возможность работы в вакууме, что необходимо для процесса экспонирования электронами металлического слоя анода. Для контроля таких тонких (наноразмерных) структур требуется использовать коротковолновые источники. С другой стороны, основание (подложка), на которую наносят тонкие слои, или несколько подложек сращенных вместе, имеет толщину сотни микрон. Следовательно, в процессе исследования потребуется длинноволновый источник. Поэтому разработка источников рентгеновского излучения с перестраиваемой длиной волны является практически значимой задачей.
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.
Известна конструкция полевой эмиссионной трубки для облегчения замены катода, включающей в себя катод, анод, затвор, соединительный элемент между катодом и затвором, элемент предотвращающий вращение (смещение) катода [2].
К недостаткам конструкции можно отнести замену только катода. Например, в катодах автоэмиссионного типа сроки эксплуатации катода и анода сопоставимы. Следовательно, в случае выхода из строя анода, придется менять всю трубку целиком, что снижает рентабельность применения рентгеновских источников.
Известна конструкция рентгеновской трубки и способ генерации поляризованного излучения, содержащая катод и анод, установленные в корпусе, причем по меньшей мере часть анода указанной рентгеновской трубки, которая предназначена для осуществления соударений с электронами, испускаемыми из катода, выполнена, в основном, из бериллия для получения, по меньшей мере, частично поляризованного излучения и она приспособлена для осуществления фильтрации генерируемого при этом рентгеновского излучения, с подавлением, по меньшей мере частичным, слабо поляризованной части спектра указанного, по меньшей мере, частично поляризованного рентгеновского излучения [3].
К недостаткам можно отнести токсичность и канцерогенность материала бериллия при формировании анода, а также в процессе эксплуатации устройства. Экспериментальные исследования и клинические наблюдения свидетельствуют, что в основе механизма действия бериллия на организм лежит изменение белкового обмена, ведущее к нарушению деятельности отдельных ферментов и развитию аутоиммунного процесса. Существенную роль в патогенезе заболевания играет и сенсибилизация организма соединениями бериллия. Основным путем проникновения бериллия и его соединений являются органы дыхания; депонируется бериллий в костях, легких, лимфатических узлах, печени, а также в сердечной мышце. Напыление материала анода происходит при непосредственном контакте оператора с анодом. Кроме того, использование одного типа пленки позволяет получить только одну длину волны рентгеновского излучения, что сужает объем информации об объекте.
Известен способ генерации рентгеновского излучения, посредством многократного пропускания электронного пучка через металлическую мишень в виде фольги, причем мишень переводят в плазменное состояние воздействием импульсов тока [4].
Недостатком способа является точность генерации рентгеновского излучения. Для формирования сфокусированного электронного пучка диаметром несколько микрон или менее, желательно использовать материалы, апробированные в нано- и микроэлектронной технологии. Кроме того, количество генерируемых длин волн сужено из-за ограничения использования материала мишени анода в виде фольги. Также, свойства материала в плазменном состоянии не являются стабильными. Температура фольги после электрического взрыва и распада постоянно изменяется, что влияет на интенсивность теплового спектра излучения в течение процесса облучения. Поэтому процесс генерации рентгеновского излучения не является стабильным.
Наиболее близким по технической сути является 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 [5].
Способ генерации рентгеновского излучения включает в себя облучение пучком электронов анода, подачу фиксированного напряжения 45 кВ на рентгеновский источник, катодный узел выполнен из массива автокатодов и обеспечивает ток 5 мА.
Недостатком прототипа является сложность изготовления рентгеногенерирующих 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.
Нельзя не отметить, что подача фиксированного напряжения на рентгеновскую трубку ограничивает параметры волн излучения. Авторы изобретения не приводят значение интенсивности рентгеновского излучения, что затрудняет оценку производительности прибора.
Также к недостаткам прототипа 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.
Задачей настоящего изобретения является повышение интенсивности рентгеновского излучения, увеличение продолжительности срока эксплуатации рентгеновского источника, расширение перечня излучаемых длин волн, обеспечение возможности выбора количества длин волн и формы рентгеновского излучения.
Поставленная задача решается тем, что изготавливают рентгеновский источник, включающий в себя вакуумный корпус, анод, состоящий из слоев с n различными материалами мишени для генерации рентгеновского излучения с разной длиной волны, и катод, имеющий имеет точку фокуса рентгеновского излучения, отличающийся тем, что катод выполнен в виде матрицы катодов, сфокусированных на локальной части мишени анода, с m разными радиусами кривизны острия, а металлическая мишень анода расположена в плоскости, параллельной основанию анода.
2
В предлагаемом изобретении в качестве материала анода используются n различных материалов. Причем, используя комбинацию из двух или более материалов, можно обеспечить требуемые параметры излучения, исключив вредные материалы, например, бериллий. Как известно, по закону Мозли, корень квадратный из частоты v спектральной линии характеристического излучения элемента есть линейная функция его порядкового номера Z. Длина волны λ обратна пропорциональна частоте ν. Следовательно, λ~1/Z. Таким образом, изменяя порядковый номер исследуемого материала можно варьировать длину волны излучения.
Мишень анода представляет собой набор рентгенопрозрачных и прочных пленок, обеспечивающих минимальное затухание сгенерированного излучения в процессе прохождения рентгеновских лучей через мембрану и возможность работы в вакууме. Известен эффект снижения механической прочности слоев в процессе электронной бомбардировки. Поэтому структура должна выдерживать избыточное давление не менее 1.0 атм. Диаметр мишени выбирается, исходя из требований по фокусировке излучения.
Разные металлические слои (в количестве n) располагаются в локальных областях анода.
Матрица катодов представляет несколько секторов катодов с т различным радиусом кривизны острия, причем каждый сектор направлен на конкретный материал анода. Таким образом, каждый вид материала может быть экспонирован различной формой пучка электронов. Количество секторов совпадает с количеством металлических слоев в локальных областях анода. Топология катодной матрицы сформирована так, что в каждый момент времени напряжение подается на либо отдельный катод из сектора, либо на два и более катодов. Следовательно, катоды не перегреваются, значит, минимизируется влияние эффекта тепловой деградации, и поэтому возрастает срок эксплуатации прибора.
В результате предложенного рентгеновского источника сгенерированное рентгеновское излучение будет различным по интенсивности, длине волны, а также по диаграмме направленности. Как известно, слои материала обладают разной толщиной и рентгенопрозрачностью. Чем меньше длина волны, тем более эффективно можно исследовать тонкие слои материалов. В случаях, когда исследуемая структура представляет собой набор тонких (нанометровых) слоев, расположенных на толстой (микронной) подложке, для повышения точности анализа материала требуется использовать короткие и длинные волны. В противном случае, существует высокая вероятность, что длинные рентгеновские волны «перепрыгнут» тонкие слои, а короткие рентгеновские волны затухнут до границы пленка-подложка. Таким образом, количество излучаемых длин волн должно быть не менее количества слоев материалов.
На фиг. 1 показан вид сверху конструкции анода, где: 1 - первый металлический слой мишени анода, 2 - второй металлический слой мишени анода, 3 - третий металлический слой мишени анода, 4 - n-й металлический слой мишени анода. На фиг. 2 показан один сектор из матрицы катодов, включающий в себя набор катодов с т значениями радиуса кривизны острия.
На фиг. 3 представлена конструкция рентгеновского источника, где: 1 - первый металлический слой мишени анода, 2 - второй металлический слой мишени анода, 3 - третий металлический слой мишени анода, 4 - n-й металлический слой мишени анода, 5 - матрица катодов, 6 - анод, 7 - вакуумный корпус, 8 - точка фокуса рентгеновского излучения.
На фиг. 4 представлен вид экспериментальной структуры анода в торец с толщиной молибдена 682 нм, нанесенного за два процесса осаждения.
На фиг. 5 показана экспериментальная зависимость рентгеновского излучения с применением пленки молибдена толщиной 682 нм при различной величине тока катода.
Рентгеновский источник работает следующим образом. Под действием высокого напряжения электроны с катода инжектируют в анод. В процессе соударения с атомами металлической пленки мишени анода происходит тормозное рентгеновское излучение. Для предотвращения тепловой деградации острия катода переменно подают высокое напряжение на различные катоды из матрицы.
Конкретный пример исполнения. На кремниевое основание толщиной 670 мкм осаждают на лицевую сторону оксид кремния 600 нм, нитрид кремния 130 нм и слой молибдена 682 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 молибденовый анод в форме круга диаметром 1.0 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.
Затем подается напряжение от 2 до 40 кВ. При напряжении на рентгеновском источнике 20 кВ и величине тока катода 1 мкА регистрируется рентгеновская интенсивность 3.5.
В результате предложенного рентгеновского источника и способа генерации рентгеновского излучения, зависящее от диаметра мембраны анода, материала мишени анода, расположения катода, радиуса кривизны острия катода, количества катодов, одновременно экспонирующих мишень анода. Подбирая необходимые параметры можно повысить интенсивность излучения, увеличить продолжительность срока эксплуатации прибора.
Источники информации:
1. Патент РФ №2586621.
2. Патент США №8942352.
3. Патент РФ №2199112.
4. Патент РФ №2128411.
5. Патент РФ №2617840 - прототип.