РЕНТГЕНОВСКИЙ ИСТОЧНИК
X-RAY SOURCE

Изобретение относится к рентгенотехнике, а именно к рентгеновским источникам с оптической индикацией излучения, и может быть использовано в различных измерительных устройствах для контроля параметров и визуализации структуры промышленных и биологических объектов.
Рентгеновские источники с оптической индикацией обеспечивают информацию о наличии рентгеновского излучения и местоположении пучка излучения, что позволяет повысить точность измерений, удобство работы и безопасность эксплуатации. Известен рентгеновский источник, содержащий анод, облучаемый электронным пучком, и средства оптической индикации рентгеновского излучения [1]. Указанные средства оптической индикации включают люминесцирующую в оптическом диапазоне фольгу, расположенную по периферии расходящегося пучка излучения, и оптический волновод, обеспечивающий внешний вывод из зоны рентгеновского облучения потока оптического излучения. Недостаток указанного устройства - низкая информативность, поскольку предложенная схема обеспечивает только сигналы о наличии или отсутствии пучка рентгеновского излучения.
Известен также рентгеновский источник [2], содержащий облучаемый электронами анод, генерирующий расходящийся поток излучения, и средства оптической индикации рентгеновского излучения, включающие рентгенопрозрачное оптическое зеркало, расположенное за окном для выхода рентгеновского излучения, и лазер. Отраженное зеркалом излучение лазера позволяет индицировать на объекте контроля местоположение оси рентгеновского пучка. Основным недостатком указанного устройства являются ошибки совмещения направлений оптического и рентгеновского пучков, возникающие в результате случайного смещения элементов оптической и рентгеновской схемы или вследствие их теплового дрейфа. Другой недостаток этого устройства - невозможность контроля интенсивности и местоположения рентгеновского фокуса в процессе работы источника.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению является рентгеновский источник, описанный в [3]. Указанный источник содержит облучаемый электронами анод, генерирующий расходящийся поток излучения, окно для выхода рентгеновского излучения, средства оптической индикации пучка рентгеновского излучения, включающие источник оптического излучения и оптическое зеркало, расположенное за выходным окном корпуса рентгеновского источника, соосно расположенные средства коллимации и фокусировки рентгеновского и оптического излучения. Недостатки указанного устройства заключаются в следующем. Источники оптического и рентгеновского излучений и траектории рентгеновского и оптического излучений совмещаются с помощью коллимационной системы в виде поликапилляра и зеркала. При отклонении оси поликапилляра на небольшой угол относительно заданного направления прохождение рентгеновского пучка через коллимационную систему может нарушаться. Однако малое угловое отклонение слабо влияет на прохождение через указанную коллимационную систему оптического излучения. Таким образом, возможна ошибочная оптическая индикация наличия зондирующего рентгеновского пучка. Интенсивность оптического излучения определяется в основном яркостью оптического источника и не зависит от энергии и тока электронов, облучающих анод источника. Это не позволяет контролировать интенсивность прошедшего через коллимационную систему рентгеновского излучения. Кроме того, при указанной схеме расположения элементов невозможно определение положения и размера рентгеновского фокуса, что затрудняет настройку устройства.
Цель настоящего изобретения - повышение точности и информативности оптической индикации параметров рентгеновского излучения.
Поставленная цель достигается тем, что в рентгеновском источнике, содержащем облучаемый электронами анод, генерирующий расходящийся поток излучения, окно для вывода рентгеновского излучения, средства оптической индикации пучка рентгеновского излучения, включающие источник оптического излучения и оптическое зеркало, расположенное за выходным окном рентгеновского источника, соосно расположенные средства коллимации и фокусировки рентгеновского и оптического излучения, анод выполнен составным в виде тонкой пленки оптически и рентгенопрозрачной подложки, люминесцирующей в оптическом диапазоне, указанная подложка является выходным окном рентгеновского источника, а оптическое зеркало расположено вне оси рентгеновского пучка в области расходящегося потока излучения, генерируемого анодом.
Поставленная цель достигается также тем, что рентгенопрозрачная подложка выполнена из оптически активированного синтетического кристалла алмаза.
Поставленная цель достигается также тем, что средства коллимации и фокусировки и оптического излучения выполнены из рентгенопрозрачного пластика, например поликарбоната.
Поставленная цель достигается также тем, что рентгеновский источник дополнительно содержит средства визуализации изображения анода, отраженного оптическим зеркалом.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем. Анод рентгеновского источника выполнен составным, в виде тонкой пленки и оптически и рентгенопрозрачной подложки, люминесцирующей в оптическом диапазоне. При облучении указанного анода пучком электронов оптический и рентгеновский фокусы оказываются пространственно совмещены. Люминесцирующая подложка оптически прозрачна и является выходным окном рентгеновского источника. Это обеспечивает возможность прямого контроля с помощью отражающего зеркала и средств видеонаблюдения положения и размера рентгеновского фокуса, а также интенсивности рентгеновского излучения.
Работа устройства поясняется с помощью фиг. 1, 2. На фиг. 1 изображен общий вид рентгеновского излучателя, на фиг. 2 - анодный узел рентгеновского излучателя.
m
m
Рентгеновский излучатель (см. фиг. 1) содержит корпус 1, изготовленный из стекла или керамики, блок фокусировки электронов 2, анод 3, катодный узел 4, диафрагмы 5, 6, защитный корпус 7, выходное оптическое окно 8, оптическое зеркало 9, видеокамеру 10, защитный экран 11. Диафрагмы 5, 6, защитный корпус 7 и экран 11 выполнены из поглощающего рентгеновское излучение материала, например тантала. Блок фокусировки электронов, анод 3, катодный узел 4 находятся в вакууме. Высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны, прикладывается между анодом 3 и катодным узлом 4. Анод 3 (см. фиг. 2) выполнен составным в виде рентгенопрозрачной подложки, на поверхность которой нанесен слой металла. Подложкой является преимущественно оптически прозрачная пластина алмаза толщиной около 300 мкм, обеспечивающая для излучения с энергией >10 кэВ коэффициент пропускания Т>80%. Толщину слоя металла выбирают в зависимости от максимальной энергии электронов E. Например, при E≈40 кэВ толщину слоя металлического слоя из молибдена выбирают равной 0,8-1 мкм. Более детально конструкция и принцип работы анодного узла рассмотрены далее.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Катодный узел 4 эмитирует поток электронов. С помощью системы электростатической линз, расположенных в блоке 2, формируется пучок электронов 12, который фокусируется на поверхности анода 3 в пятно размером 25-50 мкм. При попадании на тонкопленочный анод 3 часть высокоэнергетичных электронов проходит через слой  металла 15 и создает область возбуждения 17, расположенную как в слое металла 15, так и подложке 16. При этом слой металла генерирует рентгеновское излучение 14, а активированный объем подложки оптическое излучение 13. При использовании в качестве подложки синтетического алмаза оптическая активация, обеспечивающая яркое свечение в оптическом диапазоне, осуществляется путем ее предварительного облучения электронами с энергией ~1 МэВ.
Указанная схема генерации обеспечивает пространственное совмещение фокусов рентгеновского излучения 14 и оптического излучения 13. Поэтому траектории рентгеновского и оптических пучков, прошедших через диафрагмы 5, 6, оказываются также пространственно совмещены, что позволяет визуализировать рентгеновское излучение и облучаемую область на объекте контроля. При этом изменение тока электронов при фиксированном ускоряющем напряжении между анодом 3 и катодным узлом 4 пропорционально изменяет яркость свечения источника в оптическом и рентгеновском диапазонах, что позволяет определять интенсивность рентгеновского излучения. Контроль может осуществляться визуально или путем регистрации потока оптического излучения, отраженного от оптического зеркала 9, с помощью фотоприемника или видеокамеры 10, размещенной напротив выходного оптического окна 8. Кроме того, видеокамера 10 обеспечивает возможность дополнительного контроля положения и размера рентгеновского фокуса. Это позволяет непрерывно определять указанные параметры непосредственно в процессе работы источника. В процессе настройки системы визуализации перед отверстием диафрагмы 6 устанавливается защитный экран 11.
Вариант исполнения коллимационной системы показан на фиг. 2. Оптический блок 17, содержащий рентгенопрозрачные пластиковые линзы 18, установлен по ходу оптического 13 и рентгеновского 14 пучков. Блок 17 располагают по центру диафрагмы 6, что обеспечивает соосность пучков. Линзы 18 изготавливают, например, из поликарбоната, обладающего высокой радиационной стойкостью. Применение линз позволяет сформировать сходящийся оптический пучок 19, который создает на поверхности объекта контроля яркое фокусное пятно малого размера. Это облегчает применение источника при низкой мощности генерации излучения. Таким образом, в процессе работы источника исключается возможность ошибочной индикации наличия рентгеновского пучка.
Литература
1. US patent no. 5081663 G01D 18/00 (1992). X-ray apparatus with beam indicator.
2. Патент РФ №2106619 G01N 23/00 (1998). Лазерный центратор для рентгеновского излучателя.
3. US patent no. 7023954 В2 G01N 23/223 (2006). Optical alignment of X-ray microanalyzers.