Микрофокусная рентгеновская трубка
MICROFOCUS X-RAY TUBE

Изобретение относится к прецизионной контрольно-измерительной технике нового поколения, и предназначено для улучшения аналитических, эксплуатационных и потребительских характеристик рентгеновского технологического и исследовательского оборудования, и может быть использовано в установках рентгеноскопии, рентгенографии и рентгеноструктурного анализа объектов микроэлектроники, биологии, медицины и т.д.
Для возбуждения рентгеновского излучения используют потоки электронов, ускоренные до энергий от нескольких кэВ до сотен кэВ и направленные на анод (антикатод). Часть энергии потока при торможении электронов в веществе анода идет на нагревание анода, а другая часть (около 1%) преобразуется в рентгеновское излучение.
По диаметру сфокусированного на аноде электронного луча различают макрофокусные (диаметр более 1 мм), острофокусные (диаметр 0.01-1 мм) и микрофокусные (диаметр меньше 10 мкм) рентгеновские трубки.
Преимущества острофокусных/микрофокусных рентгеновских трубок наиболее отчетливо проявляются при использовании анодов прострельного типа, в отличие от анодов отражательного типа.
Известны острофокусные/микрофокусные рентгеновские трубки серии БС [1], содержащие анодную трубу, в торце которой размещается мишень прострельного типа, представляющую собой металлическую фольгу толщиной 50-500 мкм, изготовленную из материала с высокой теплопроводностью и покрытую пленкой металла с высоким атомным номером; магнитную или электростатическую систему фокусировки, обеспечивающую необходимый диаметр пятна электронного пучка на аноде, предварительно сформированного трехэлектродной электронной пушкой с прямонакальным вольфрамовым V-образным катодом. Характеристики рентгеновского источника: ускоряющее напряжение - до 50 кВ, максимальная мощность - 2.5 Вт, диаметр фокального пятна на аноде 10-100 мкм.
Недостатками острофокусных/микрофокусных рентгеновских источников с плоскими анодами, в том числе серии БС является малая мощность излучения, ограниченная рассеиваемой тепловой мощностью на аноде, не превышающей 10 Вт при диаметре фокального пятна около 100 мкм. Превышение указанного предела рассеиваемой мощности приводит к разогреву и расплавлению материла анода и его разрушению.
Известна также микрофокусная трубка (прототип), состоящая из термокатода, цилиндра Венельта, фокусирующего электрода и анода с выполненным вдоль оси симметрии сквозным каналом в виде усеченного конуса с углом между образующими 5°-7°, большее входное основание которого обращено к катоду, а выходное меньшее основание герметично закрыто металлической фольгой и служит окном для вывода рентгеновского излучения [2]. Достоинство трубки заключается в увеличении площади поверхности, с которой происходит эмиссия рентгеновских квантов и рассеивается тепловая мощность, что позволяет многократно превысить мощность источников с плоскими анодами. Поверхностью, с которой при поглощении ускоренных в пространстве между катодом и анодом электронов происходит генерация рентгеновских квантов, является боковая поверхность конуса. Боковая поверхность конусообразного канала зависит от высоты усеченного конуса (толщины анода) и радиусов оснований и может быть сколь угодно большой. Эффективная область вылета рентгеновских квантов из трубки определяется площадью меньшего выходного основания усеченного конуса и, в принципе, может быть сколь угодно малой. Это связано с тем, что рентгеновское излучение, распространяющееся не в направлении выходного основания конуса, поглощается стенками анода.
К недостаткам прототипа относится непригодная для практических применений полая коническая форма выходного потока рентгеновского излучения. Такая форма потока связана с тем, что рентгеновское излучение, являющееся суперпозицией интенсивностей излучения всех точек поверхности конусообразного канала, распространяется и выводится наружу в основном вдоль его стенок. В других направлениях рентгеновское излучение поглощается стенками анода.
Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в создании расходящегося из малой области сплошного потока рентгеновского излучения высокой мощности, формируемого в процессе отражения и поглощения ускоренного полого цилиндрического электронного потока стенками канала, выполняемого в виде воронки в аноде, состоящей из конического раструба и цилиндрического канала. Конический раструб воронки служит для отражения распространяющегося вдоль оси симметрии полого потока электронов в цилиндрическую часть воронки под углом, чуть меньшим 90° по отношению к оси. Рентгеновское излучение генерируется в процессе каскада отражений и поглощений электронов стенками цилиндрической ступени воронки и выводится наружу через внешнее основание цилиндрического канала, герметично закрытое фольгой из металла с низким атомным номером, например бериллия.
На фиг. 1 показана электронно-оптическая схема микрофокусной рентгеновской трубки, электроды которой помещены в керамический цилиндр 1 и содержат катодно-модуляторный узел, состоящий из полого косвенно подогреваемого катода 2 с нагревателем 3, размещаемого внутри электрода Венельта 4 с выходным отверстием 5, предназначенным для вывода электронов 6, эмиттированных с поверхности нагретого катода 2 в диапазоне начальных углов от -90° до +90°; фокусирующий электрод 7; анод 8 со сквозным воронкообразным каналом 9, через внешнее основание 10 которого выводится наружу рентгеновское излучение 11. Окно 10 вывода рентгеновского излучения 11 герметично закрыто металлической фольгой 12. Для удобства эксплуатации и создания оптимальных условий охлаждения анода металлический корпус источника со стороны анода 8 выполняется конусообразным.
На фиг. 2 представлены схематичное изображение анода 8 с воронкообразным каналом 9, и траектория электрона 6, влетевшего в канал параллельно оси на некотором расстоянии от нее и испытавшего три отражения (k=1, k=2 и k=3) от конусообразного раструба 9,а, и каскад отражений от стенок цилиндрического канала 9,б воронки. Угол раствора раструба α определяет угол входа относительно оси β=2mα<90° электрона в цилиндрический канал, где m - число предварительных столкновений со стенками раструба. Угол β задает число N=L⋅tgβ/D столкновений электрона со стенками цилиндрического канала длиной L и диаметром D в процессе отражений при его перемещении от входа к выходу. При каждом столкновении существует определенная вероятность поглощения электрона и генерации рентгеновского кванта. Параметры D, α и m фиксируют необходимую величину диаметра d влетающего в воронкообразный канал полого электронного потока: , где . Угол β не может сильно отличаться от 90°, т.к. его величина определяет количество N столкновений, а значит и вероятность генерации рентгеновского кванта при поглощении электрона на ограниченной длине L цилиндрического канала 9,б. С помощью изменения параметра m можно варьировать диаметр d полого электронного потока и, тем самым, задавать входной диаметр раструба 9,а воронки 9. На практике возможно допустить с учетом потерь электронов на поглощение 2≤m≤5 столкновений со стенками конического раструба. Фиг. 3 демонстрирует суть изобретения, которая заключается в увеличении площади поверхности, с которой происходит эмиссия рентгеновских квантов, при использовании анода с воронкообразным каналом, что позволяет многократно превысить мощность источников с плоскими анодами. Эффективная область излучения (вывода наружу) квантов в предлагаемом варианте определяется площадью основания 10 цилиндрического канала 9,б с диаметром D и, в принципе, может быть сколь угодно малой. Это связано с тем, что рентгеновское излучение 11, распространяющееся не в направлении внешнего основания цилиндра 10, поглощается стенками анода 8. На Фиг. 3, в качестве примера, показаны два произвольно выбранных точечных излучателя с и d, расположенных на поверхности цилиндрического канала 9,б. Если принять диаметр фокального электронного пятна стандартной рентгеновской трубки с плоским анодом, равным D, то выигрыш по площади эмиссии рентгена, а значит и мощности в предлагаемой схеме может быть вычислен как отношение боковой поверхности цилиндрического канала 9,а к площади его основания, т.е. будет равен 4L/D.
Таким образом, решение технической задачи достигается тем, что аксиально-симметричный микрофокусный рентгеновский источник содержит катодно-модуляторный узел, фокусирующий электрод и анод, обеспечивающие эмиссию полого электронного потока с катода, ускорение потока и его фокусировку на аноде, при этом в аноде вдоль оси симметрии системы выполнен воронкообразный канал, состоящий из конического раструба и цилиндрического канала, конический раструб которого, обращенный к катоду, отражает ускоренные и движущиеся параллельно оси электроны и направляет их на вход цилиндрического канала, в результате взаимодействия со стенкой которого электроны, испытывающие многократные упругие отражения, продвигаются к противоположному от конического раструба выходу цилиндрического канала и с определенной для конкретного материала анода вероятностью в каждом акте взаимодействия поглощаются стенкой канала, излучая рентгеновские кванты, при этом угол α=β/2m раствора конического раструба воронки выбран из условий 2≤m≤5 для числа m последовательных столкновений электронов со стенками конического раструба перед входом в цилиндрический канал и 80°<β<90° для измеряемого по отношению к оси симметрии угла β входа электронов в цилиндрический канал, а диаметр d влетающего в воронкообразный канал полого ускоренного электронного потока выбран из соотношения  с диаметром D цилиндрического канала.
Рентгеновский источник работает следующим образом.
c
ν
ƒ
Электроны 6, эмиттированные с основания полого цилиндрического катода 2, разогреваемого пропусканием электрического тока через нагреватель 3, попадают в ускоряющее электрическое поле между катодом 2 с отрицательным потенциалом V и заземленным анодом 8, в торце которого выполнен воронкообразный канал 9, и фокусируются электрическим полем, созданным потенциалом V на электроде Венельта 4 с выходным отверстием 5, а также потенциалом V на фокусирующем электроде 7 и нулевым потенциалом на аноде, на входе воронкообразного канала 9, образуя на стенках канала 9 кольцевое изображение полого катода 2 (Фиг. 1). После нескольких отражений от стенок раструба 9,а воронкообразного канала 9 электроны под большим углом по отношению к оси попадают на вход цилиндрического канала 9,б, где на всей длине канала испытывают каскад отражений и поглощений (Фиг. 2). Генерация рентгеновского излучения 11 происходит при поглощении электронов стенками канала 9,б (Фиг. 3). Вывод наружу сплошного расходящегося потока рентгеновского излучения 11 осуществляется через основание 10 цилиндрического канала 9,б, затянутое металлической фольгой 12 (Фиг. 1, Фиг. 3).
c
f
c
c
При внешнем диаметре корпуса источника порядка 60 мм длина устройства составляет около 120 мм, внутренний и внешний диаметры полого цилиндрического катода приблизительно равны 3 и 5 мм соответственно, внутренний диаметр электрода Венельта составляет около 7 мм, наименьшее расстояние между катодом и электродом Венельта приблизительно равно 1 мм, внутренний диаметр фокусирующего электрода приблизительно 15 мм, наименьшее расстояние между электродом Венельта и анодом примерно равно 15 мм, протяженность всего анода вдоль оси симметрии примерно составляет 45 мм, протяженность цилиндрической части анода приблизительно равна 25 мм, внутренний диаметр цилиндрической части анода приблизительно равен 20 мм, угол наклона конической составляющей анода примерно равен 30°, длина керамического цилиндра, в который помещены электроды рентгеновской трубки, составляет около 90 мм, осевая протяженность раструба воронкообразного канала составляет около 2.5 мм, угол раствора раструба находится вблизи 20°, цилиндрическая ступень воронкообразного канала выполняется диаметром в несколько десятков мкм и длиной не меньше 2 мм. Напряжение V между катодом и анодом может регулироваться в пределах 10-100 кВ, напряжение V на фокусирующем электроде составляет около 5% от напряжения V между катодом и анодом. Потенциал электрода Венельта регулируется в пределах от -1% до +1% относительно напряжения V между катодом и анодом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тейлор А., Рентгеновская металлография, пер. с англ., М., 1965.
2. Heribert K. Hergiotz, Charles D. Reilly, X-ray Generator Having an Anode Formed by a Solid Block with a Conical Bore Closed by a Target Toil. US Patent 3,584,219. Patented