РЕНТГЕНОВСКИЙ ИСТОЧНИК

Полезная модель 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. 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 (для человека), а также в процессе эксплуатации устройства. Экспериментальные исследования и клинические наблюдения свидетельствуют, что в основе механизма действия бериллия на организм человека 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.
Известно техническое решение рентгеновского источника, включающего в себя вращающийся анод, источник электронов. Генерация рентгеновского излучения осуществляется посредством совпадения направлений электронного пучка и центробежной силы, вращающей анод [4].
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.
Наиболее близким по технической сути является рентгеновский источник[5], 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.
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.
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 настоящей полезной модели является повышение интенсивности рентгеновского излучения, увеличение срока службы прибора, осуществление корректировки длины волны рентгеновского излучения.
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, причем применяется матрица в виде барабана с набором отпаянных рентгеновских трубок, включающих катоды и аноды.
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.
Повышение интенсивности рентгеновского излучения обеспечивается за счет использования для каждой мишени анода отдельного катода, то есть в каждой рентгеновской трубке используется один анод и один катод.
Повышение срока эксплуатации устройства достигается посредством использования нескольких рентгеновских трубок. Трубки используются попеременно, то есть одновременно напряжение подается на одну трубку в барабане. Это позволяет увеличить время работы прибора, а также корректировать длину волны рентгеновского излучения.
На фиг. 1 представлена конструкция устройства, где: 1 - матрица в виде барабана, 2 - зубчатое колесо, 3 - отпаянная рентгеновская трубка, 4 - электрод для подачи напряжения, 5 - источник высокого напряжения, 6 - дисплей, показывающий время, в течение которого подается напряжение, а также величину напряжения. На фиг. 2 показана конструкция барабана с резьбовыми сквозными отверстиями. На фиг. 3 показан макет отпаянной рентгеновской трубки, где: 7 - анод, 8 - вакуумный корпус, 9 - катод.
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 рентгеновские трубки.
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.
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. Затем подается напряжение 10 кВ и регистрируется рентгеновское излучение.
В результате применения рентгеновского источника обеспечивается повышение срока эксплуатации прибора с повышенной интенсивностью излучения и различной длиной волны, которая зависит от количества используемых отпаянных рентгеновских трубок.
Источники информации:
1. Патент РФ №2586621.
2. Патент США №8942352.
3. Патент РФ №2199112.
4. Патент РФ №2068210.
5. Патент РФ №2617840 - прототип.