ТОЧЕЧНЫЙ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫЙ ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК H01J35/04 H01J35/22 H05G1/64 

Изобретение относится к рентгеновским источникам, позволяющим получить интенсивное рентгеновское излучение с малым эффективным размером области излучения, и предназначено для использования в рентгеновской микроскопии, микродефектоскопии, компьютерной томографии и т.д.

Как известно, генерация рентгеновского излучения происходит при бомбардировке анода пучком электронов, испущенных катодом и ускоренных приложенным к электродам напряжением. При торможении электронов в веществе возникает рентгеновское излучение. Изучение диаграммы направленности рентгеновского излучения от анода рентгеновской трубки показывает, что более мягкая составляющая излучения имеет преимущественное направление под прямым углом к направлению пучка электронов, а жесткая - в направлении, близком к направлению падающих на анод электронов. С ростом приложенного напряжения диаграмма пространственного распределения рентгеновского излучения становится более узконаправленной.

Для достижения высокой резкости изображения или получения увеличенного изображения просвечиваемой области объекта (рентгеновская микроскопия) используются источники излучения с малым размером эффективной области излучения, как правило, это микрофокусные рентгеновские трубки. Фокусом рентгеновской трубки называют то место на мишени, бомбардируемой пучком электронов, из которого испускается рентгеновское излучение. А микрофокусными называют рентгеновские трубки, в которых размер фокуса не превышает нескольких микрон (или десятков микрон). Размер фокусного пятна определяется степенью фокусировки пучка электронов, материалом мишени и конструкцией рентгеновского источника. Размер фокусного пятна и достижимая при этом интенсивность излучения источника ограничены прежде всего термической прочностью материала мишени. Вследствие того, что при торможении пучка электронов в материале мишени выделяется большое количество тепла в ограниченном пространстве, может произойти разрушение мишени - это так называемый термический предел размеров фокусного пятна при заданной удельной нагрузке. С другой стороны, размеры фокусного пятна не могут быть сделаны сколь угодно малыми вследствие рассеяния электронов в материале мишени, которое приводит к увеличению размера области излучения рентгена - это электронный предел. Увеличение интенсивности излучения трубки при уменьшении размеров фокусного пятна практически всегда является трудной задачей, поскольку малый размер фокусного пятна не позволяет увеличивать интенсивность потока электронов по причине разрушения материала мишени из-за выделения большого количества тепла. Так, в известных рентгеновских трубках с размером фокусного пятна, равным 1 микрону, выделяемая мощность составляет порядка нескольких сотых ватта; при размере фокусного пятна в 5 микрон эта мощность составляет 0,6 ватта. Еще одной задачей создания рентгеновских микрофокусных трубок является обеспечение малого фокусного расстояния, т.е. расстояния между фокусом рентгеновской трубки и выходным окном для рентгеновского излучения. Для этой цели используются трубки с прострельным анодом, т.е. устройства, в которых рентгеновское излучение выходит из мишени со стороны противоположной той, на которую падает пучок электронов.

Для получения малых размеров фокусного пятна на аноде используются фокусирующие приспособления в виде электростатических, магнитных и электромагнитных линз, а для уменьшения термической нагрузки на фокусное пятно на аноде при его малых размерах применяют как сканирование анода пучком электронов, так и устройства для вращения анода.

Из уровня техники известна микрофокусная рентгеновская трубка, в которой электроны, испущенные катодом, фокусируются с помощью электронных линз в точку на аноде. Анод выполнен трехслойным и содержит мишень в виде фольги для генерации рентгеновского излучения, слой для торможения электронов и основание-носитель, благодаря чему анод выполняет еще и функцию окна рентгеновской трубки. В этой трубке анод является прострельным. Для исключения прогорания анода в точке падения электронного пучка анод соединен с мотором, обеспечивающим его поворот, и тем самым обеспечивается изменение места попадания электронов на анод. (См. заявку РСТ N WO 96/29723, H 01 J 35/08, 35/24, публ. 1996 г.).

Рентгеновская трубка большой мощности представлена в патенте ФРГ N2441986, H 01 J 35/04, публ. 1975 г. Она представляет собой вакуумированный баллон с окном для выхода излучения, в котором размещены накальный катод, прострельный анод в форме конуса, направленного вершиной в сторону катода. Электронно-оптические средства для управления пучком электронов создают равномерную нагрузку анода.

В заявке ФРГ N 3543591 A1, H 01 J 35/22, публ. 1986 г. описана импульсная рентгеновская микрофокусная трубка, содержащая катод, электронную линзу для фокусировки электронного пучка и прострельный анод или массивный охлаждаемый анод с мишенью для генерации рентгеновского излучения. В этом случае рентгеновское излучение выходит под углом 90^o к направлению падения электронов через бериллиевое окно.

Известен также источник рентгеновского излучения, который содержит вакуумный баллон с окном для выхода рентгеновского излучения, в котором размещены катод и анод. Источник содержит также устройство для направления узкого электронного пучка на анод и отклоняющее устройство, которое сканирует анод. Анод - прострельный и выполнен следующим образом: мишень представляет собой тонкий слой металла, например меди, нанесенный вакуумным напылением на тонкую подложку из металла с относительно малым атомным номером, например алюминия. Имеется также пластина из материала с малым атомным номером, например пластика, который выполняет функции держателя для подложки и многоапертурная сотовая структура, которая также является в этой конструкции опорной. Такая конструкция обеспечивает хорошее пропускание генерируемых мишенью рентгеновских лучей. Снаружи на баллон надето коллимирующее устройство, позволяющее формировать необходимым образом пучок рентгеновского излучения (такой источник описан в устройстве по патенту США N 4057745, кл. H 01 J 35/08, публ. 1977 г.). Это техническое решение наиболее близко к заявленному и является его прототипом.

Целью данного изобретения является создание такого источника рентгеновского излучения, в котором обеспечивалось бы уменьшение эффективного размера области излучения при достаточно высокой интенсивности излучения и малом фокусном расстоянии.

Уменьшение нагрузки на аноде достигается нетрадиционными методами, когда идут по пути сканирования анода электронным пучком или вращения анода. Мы предлагаем сфокусировать пучок электронов за анодом и в фокусе электронной линзы разместить диафрагму рентгеновского пучка. В результате на анод попадает расфокусированный пучок электронов, что снижает лучевую нагрузку на него и следовательно позволяет повысить допустимую электрическую мощность. За счет формируемой при такой геометрии диаграммы направленности рентгеновского излучения и размещения диафрагмы в фокусе электронной линзы мы получаем излучение, аналогичное по параметрам излучению микрофокусного источника, расположенного на месте диафрагмы и имеющего соответствующие размеры фокусного пятна.

Суть предложения состоит в том, что в известном техническом решении - источнике рентгеновского излучения, содержащем вакуумированный корпус, внутри которого размещены эмиттер электронов, прострельный анод для генерации рентгеновского излучения и окно для выхода рентгеновского излучения; имеющем по крайней мере одну электронную линзу и средство для формирования пучка рентгеновского излучения, мишень размещена перед фокусом электронной линзы по направлению движения электронов, а средство для формирования пучка рентгеновского излучения выполнено в виде диафрагмы, зрачок которой помещен в место расположения фокуса электронной линзы. Для уменьшения потерь рентгеновского излучения мишень может выполнять и функцию окна рентгеновской трубки. В этом случае для повышения прочности конструкции мишень располагают на подложке из материала с малым атомным номером и высокой теплопроводностью. Вся конструкция анода вакуум-плотно крепится внутри корпуса и служит окном для вывода рентгеновского излучения. Электронная линза может иметь точечный или штриховой фокус в зависимости от решаемых задач. Анод, который является окном рентгеновской трубки, может быть снабжен и средством для его охлаждения. Источник электронов, возбуждающих рентгеновское излучение, может быть импульсным.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
- на фиг. 1 показана диаграмма направленности излучения рентгеновской трубки с прострельным анодом при различных напряжениях, приложенных между анодом и катодом (U₃ > U₂ > U₁),
- на фиг. 2 изображены для предлагаемого источника направление падения пучка электронов и диаграмма направленности рентгеновского излучения,
- на фиг. 3 схематически представлен общий вид предлагаемого источника рентгеновского излучения.

Фиг. 2 иллюстрирует то, что пространственное распределение излучения предлагаемого источника аналогично распределению излучения микрофокусного источника, расположенного на месте диафрагмы, а лучевая нагрузка на анод при этом снижена (пучок на мишени расфокусирован). На этом чертеже показан пучок электронов 1, падающий на мишень 2 и возбуждающий рентгеновское излучение 3, сходящееся в направлении к диафрагме 4, апертура 5 которой размещается в фокусе электронной линзы (на этом чертеже не показана). Позицией 6 обозначено пространственное распределение рентгеновского излучения на выходе предлагаемого источника.

Рассмотрим работу устройства, изображенного на фиг. 3. Электроны, испущенные катодом 7 (например термокатодом, что не является существенным), формируются фокусирующим колпачком 8 в пучок и фокусируются электронными линзами 9 и 10 на аноде 11, представляющем собой мишень 12 из металлической фольги, расположенной на подложке 13 из материала с низким атомным номером (мишень может быть нанесена на подложку вакуумным напылением). Подложка придает прочность, обеспечивает отвод тепла и ее удобно герметично (вакуум-плотно) крепить к корпусу источника, так что анод может выполнять и функции окна для вывода рентгеновского излучения. Но возможно и использование анода в виде фольги без подложки, при этом корпус снабжается бериллиевым окном для вывода рентгеновского излучения (на чертеже не показано). Анод и катод размещены в вакуумированном корпусе (баллоне) 14. Снаружи корпуса за анодом помещается диафрагма 15, формирующая пучок рентгеновского излучения, которая может быть выполнена заодно с корпусом 14 источника. Зрачок 16 диафрагмы 15 должен быть расположен в фокусе электронной линзы 10. Электронная линза 10 может иметь точечный или штриховой фокус в зависимости от задач, решаемых в установке, использующей предлагаемый источник рентгеновского излучения. В случае, когда анод является окном источника излучения, он может быть снабжен средством для его охлаждения 17.

Изобретение относится к источникам рентгеновского излучения с малым эффективным размером области излучения и предназначено для использования в рентгеновских микроскопах, микродефектоскопах и рентгеновских томографах. Устройство содержит эмиттер электронов, фокусирующие электронные линзы и прострельный анод, который может быть установлен в окне источника излучения и снабжен средством его охлаждения. Электронный пучок фокусируется в точку или штрих за анодом по ходу электронного пучка. В фокусе электронной линзы помещается зрачок диафрагмы рентгеновского пучка. Техническим результатом является уменьшение эффективного размера области излучения. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Источник рентгеновского излучения, содержащий вакуумированный корпус с окном для выхода рентгеновского излучения, внутри которого размещены эмиттер электронов и прострельный анод для генерации рентгеновского излучения, по крайней мере одну электронную фокусирующую линзу, а также размещенное вне корпуса и связанное с ним средство для формирования пучка рентгеновского излучения, отличающийся тем, что анод размещен перед фокусом электронной линзы по ходу электронного пучка, а средство для формирования пучка рентгеновского излучения выполнено в виде диафрагмы, зрачок которой помещен в место расположения фокуса электронной линзы. 2. Источник рентгеновского излучения по п.1, отличающийся тем, что анод выполнен в виде мишени из металлической фольги, нанесенной на подложку из материала с малым атомным номером. 3. Источник рентгеновского излучения по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что анод вакуумплотно установлен в окне для выхода рентгеновского излучения. 4. Источник рентгеновского излучения по п.3, отличающийся тем, что анод снабжен устройством для его охлаждения. 5. Источник рентгеновского излучения по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что электронная линза имеет точечный фокус. 6. Источник рентгеновского излучения по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что электронная линза имеет штриховой фокус. 7. Источник рентгеновского излучения по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что источник электронов является импульсным.