ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, А ТАКЖЕ ПРИМЕНЕНИЕ ИСТОЧНИКА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ИСПУСКАЮЩЕГО МОНОХРОМАТИЧЕСКОЕ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Российский патент 2017 года по МПК H01J35/08 

Изобретение относится к источнику рентгеновского излучения с корпусом, в котором предусмотрена мишень, которая при бомбардировке пучком электронов может испускать рентгеновское излучение. Кроме того, изобретение относится к способу генерации рентгеновского излучения, при котором в корпусе источника рентгеновского излучения мишень бомбардируется пучком электронов и испускает рентгеновское излучение. Кроме того, изобретение относится к применению источника рентгеновского излучения, испускающего монохроматическое рентгеновское излучение.

Источник рентгеновского излучения, его применение и способ генерации рентгеновского излучения вышеуказанного типа известны, например, из US 2008/0144774 А1. В соответствии с этим источник рентгеновского излучения может быть реализован, например, посредством конфигурации электродов в корпусе. Пучок электронов генерируется в корпусе с помощью электрода, который имеет потенциал 0 В. Напротив этого электрода размещен анод, который используется в качестве мишени для излучения электронов. Он находится под потенциалом 100 кВ. За анодом расположен коллектор, который находится под потенциалом 10 кВ. Если пучок электронов сталкивается с анодом, то высвобождается рентгеновское излучение, которое через соответствующее окно (прозрачное для рентгеновского излучения) может выводиться и направляться для соответствующего применения.

Анод, который служит в качестве мишени, может быть выполнен как тонкостенная структура, так как только в первых атомных слоях генерируется монохроматическое рентгеновское излучение. Более толстая мишень приводит к возрастающей нежелательной генерации тормозного излучения. Например, она может иметь базовую пластину из бора, которая имеет толщину от 10 до 200 мкм. На нее наносится тонкий слой вольфрама с толщиной слоя от 100 до 500 нм, который применяется в качестве мишени. В общем случае очень тонкий вольфрамовый слой испытывает высокую термическую нагрузку из-за пучка электронов.

Задача изобретения состоит в том, чтобы вышеуказанный источник рентгеновского излучения усовершенствовать таким образом, что становится возможной сравнительно длительная продолжительность эксплуатации источника рентгеновского излучения без необходимости смены мишени. Кроме того, задачей изобретения является предложить способ функционирования упомянутого источника рентгеновского излучения. Наконец, задача изобретения состоит в нахождении применения для такого источника рентгеновского излучения.

Задача изобретения в отношении вышеуказанного источника рентгеновского излучения в соответствии с изобретением решается тем, что в качестве материала мишени используется аэрогель. Аэрогель имеет чрезвычайно малую плотность за счет того, что поры в сетке материала аэрогеля сформированы с очень тонкими стенками (подобно пене). Пучок электронов источника рентгеновского излучения проникает через эту образованную аэрогелем активную среду и возбуждает К-оболочку атомов материала аэрогеля. Как только они из своего возбужденного состояния возвращаются назад на К-оболочку, выдается энергия в определенных квантах как монохроматическое рентгеновское излучение. При этом из-за очень малой толщины аэрогеля не возникает или возникает в очень малой степени тормозное излучение, причем оно (если вообще имеется) распространяется в направлении пучка электронов и поэтому легко может отделяться от монохроматического рентгеновского излучения. Тем самым неискаженное монохроматическое рентгеновское излучение может подаваться для желательного использования (например, для медицинской цели).

Согласно возможному выполнению изобретения, аэрогель зафиксирован на металлической пленке из легкого металла или нескольких легких металлов (сплава), в частности, алюминия. Аэрогель на основе своей чрезвычайно малой плотности чувствителен по отношению к механическому напряжению, так что несущая пленка с ее несущей структурой вносит вклад в его стабилизацию. Несущая пленка сама должна быть выполнена достаточно тонкой, чтобы возникало по возможности малое тормозное излучение, и оно сохраняло свое направление соответственно ориентации пучка электронов. Предпочтительным образом, металлическая пленка должна иметь толщину от 0,5 мкм до 10 мкм, предпочтительно 1 мкм, если не применяется никакой перфорированный носитель. Если несущая пленка представляет собой перфорированную пленку, то металлическая пленка может также быть выполнена более толстой и тем самым механически более стабильной, так как она не вносит никакого вклада в испускаемое излучение. При этом металлическая пленка предпочтительно может иметь отверстия, которые перекрываются материалом мишени. Таким способом также возможно использование более толстых пленок, причем они образуют решетчатую опорную структуру. Отверстия могут быть, например, круглыми отверстиями, которые размещены в соответствии с регулярным узором. Таким образом получается регулярная решетчатая структура. Особенно предпочтительным является, если отверстия имеют поперечное сечение правильного шестиугольника и размещены в металлической пленке в форме сот. При этом возникает опорная структура из перемычек, которые образуют сотовый узор (соответственно виду в плане пчелиных сот). При этом предпочтительным образом при минимально возможных затратах материала должно достигаться максимальное опорное действие. Возникновение тормозного излучения при этом предотвращается в значительной степени. При генерации монохроматического рентгеновского излучения следует учитывать термическое разрушение мишени.

Если мишень выполнена в форме пленки (усиленной или не усиленной), особенно предпочтительным является, если мишень выполнена в форме полосы, которая может сматываться с первой катушки и наматываться на вторую катушку. Выполнение анода в форме полосы имеет большое преимущество, состоящее в том, что он простыми шагами подачи и перемещения может направляться относительно пучка электронов. За счет этого можно реализовать относительное перемещение между мишенью и пучком электронов. Особенно предпочтительным является подводить такую полосу в форме катушки к источнику рентгеновского излучения и использованную полосу наматывать на соответствующую катушку, так что простым способом возможно полосу во время эксплуатации источника рентгеновского излучения безопасно хранить в корпусе и направлять к пучку электронов. Кроме того, может осуществляться простая смена полосы путем съема катушек, когда она израсходована. Особенно предпочтительным образом для этой цели может быть предусмотрено, что первая катушка и вторая катушка размещены в вакуумных шлюзах корпуса. Под вакуумным шлюзом в смысле настоящей заявки следует понимать особую закрытую камеру в корпусе, которая, с одной стороны, имеет проход внутрь корпуса для материала мишени в форме полосы. Кроме того, имеются закрываемые шлюзовые отверстия наружу, через которые пропускаются применяемые катушки. Смена катушек может осуществляться посредством заполнения только предоставленных в распоряжение шлюзовых камер, так что остальное пространство корпуса остается вакуумированным. Здесь следует заметить, что генерация рентгеновского излучения предпочтительно происходит в вакуумированном корпусе. По меньшей мере вторая катушка должна предпочтительным образом быть связана также механически с приводом, который предпочтительно закреплен снаружи на корпусе. Закрепление вне корпуса имеет преимущество, заключающееся в том, что техническое обслуживание привода упрощается, так как доступ к нему облегчается, и работы по техническому обслуживанию не требуют заполнения полости корпуса.

Другая возможность обеспечить относительное движение между пучком электронов и материалом мишени состоит в том, что устройство генерации для пучка электронов выполнено с возможностью поворота. За счет поворота устройства генерации пучок электронов перемещается по материалу мишени туда и обратно, за счет чего возможно равномерное нагружение всего материала мишени. Разумеется, поворотное устройство генерации может также объединяться с механизмом катушек. В то время как механизм катушек может вызывать перемещение пучка электронов по полосе в направлении намотки, устройство генерации может поворачиваться, в частности, перпендикулярно направлению перемещения полосы. Это гарантирует, что полоса также может использоваться по всей своей ширине, за счет чего становится возможным оптимальное использование материала мишени.

Альтернативное выполнение изобретения предусматривает, что аэрогель имеет форму стержня и с помощью направляющего устройства может проводиться через пучок электронов. Стержень может предпочтительно иметь поперечное сечение, которое пригодно для того, чтобы полностью пронизываться пучком электронов. Поэтому направление пучка электронов при этом варианте не требуется. Если аэрогель потреблен, то стержень может перемещаться через направляющее устройство, так что не потребленный материал может приводиться в область воздействия пучка электронов. Форма стержня обеспечивает возможность очень простого изготовления. Предпочтительным образом стержневая форма, с учетом ее собственной упругости, может опираться на катушку, которая находится на другом конце направляющего устройства. За счет разматывания катушки стержень аэрогеля автоматически направляется посредством направляющего устройства, причем направляющее устройство одновременно может способствовать выпрямлению материала стержня.

Согласно предпочтительному выполнению изобретения, предусмотрено, что аэрогель состоит из материала, у которого К-оболочка атомов имеет эмиссионную характеристику, пригодную для применения. В частности, это определение подходит для следующих легких металлов: все щелочные металлы, все щелочноземельные металлы кроме радия, а также скандий, иттрий, титан и алюминий. Другими предпочтительными группами веществ для образования аэрогеля являются вольфрам, молибден и группа лантаноидов. В частности, при этом речь идет о 14 элементах, следующих в периодической системе за элементом лантан.

Применение аэрогеля имеет, кроме того, преимущество, заключающееся в том, что за счет возбуждения мишени пучком электронов предпочтительным образом можно генерировать монохроматическое рентгеновское излучение. При этом речь идет о рентгеновском излучении только с одной длиной волны, что имеет преимущество, заключающееся в том, что, например, рентгеновские изображения с монохроматическим рентгеновским излучением могут отображаться с более высоким контрастом. Поэтому альтернативное решение согласно изобретению заключается в том, чтобы применять это монохроматическое рентгеновское излучение для просвечивания тела, причем оно может доставляться таким образом, что при длине волны применяемого монохроматического рентгеновского излучения на отображении проявляются контрасты тела. Тело может представлять собой техническую структуру (техническое или неживое тело), как, например, соединение конструктивных элементов, которые должны исследоваться на влияние воздуха. Другой возможностью является съемка рентгеновских изображений тела человека или животного.

Другие детали изобретения далее описываются на основе чертежей. Одинаковые или соответствующие элементы чертежей на отдельных фигурах снабжены одинаковыми ссылочными позициями и неоднократно поясняются только в связи с различиями между отдельными чертежами, на которых показано следующее:

Фиг. 1 - схематичное представление генерации монохроматического рентгеновского излучения в пленке из аэрогеля в схематичном сечении,

Фиг. 2 - пример выполнения соответствующего изобретению источника рентгеновских лучей, в котором используется пленка по фиг. 1, в схематичном сечении, и

Фиг. 3 - другой пример выполнения материала мишени в форме стержня для соответствующего изобретению источника рентгеновского излучения.

На фиг. 1 в качестве мишени 11 предусмотрен аэрогель 12 (представлен как фрагмент). Пучок 13 электронов наталкивается электронами 14 на атом 15 материала мишени (например, лантана). Также представлена К-оболочка 16 атома 15, причем пучок электронов обуславливает то, что один из электронов 17 К-оболочки 16 возбуждается и поднимается на другую оболочку. Если эти электроны возвращаются назад, то при этом испускается монохроматическое рентгеновское излучение 18.

Аэрогель 12 нанесен на металлическую пленку 40, которая поддерживает аэрогель 12. Эта металлическая пленка 40 имеет отверстия 41, которые могут быть выполнены в форме регулярного узора в металлической пленке 40, чтобы при максимально возможном поддерживающем действии металлической пленки 40 гарантировать минимально возможную плотность материала/число слоев атомов. Как можно видеть в представлении 42 фрагмента (вид в плане на металлическую пленку), отверстия 41 могут иметь, в частности, форму сот 43. Материал металлической пленки 40 тогда выполняется в форме перемычек 44. Ширина перемычек может конструктивно определяться с учетом требуемого поддерживающего действия.

На фиг. 2 показана структура соответствующего изобретению источника рентгеновского излучения. Источник рентгеновского излучения размещен в вакуумированном корпусе 19, который имеет окно 22. Пучок электронов сталкивается с мишенью 11, причем последняя, ввиду ее малой толщины, по существу не поглощает энергию пучка электронов. Во всяком случае часть энергии за счет возбуждения атомов 15 (см. фиг. 1) уже описанным образом преобразуется в монохроматическое рентгеновское излучение 18, которое может выходить из корпуса через окно 22.

Проникающий в мишень пучок электронов за счет коллектора электростатически тормозится настолько, что электроны пучка электронов сталкиваются с коллектором с настолько низкой энергией, что не может генерироваться никакое тормозное излучение. Для того чтобы электроны 14 в пучке 13 электронов в достаточной степени ускорять, может предусматриваться так называемая электронная пушка (Е-пушка). Она имеет накаливаемый катод 23, который при приложении электрического поля испускает электроны. Эти электроны фокусируются с помощью электрической линзы 24, чтобы пучок электронов формировал на мишени по возможности малый точечный источник излучения. Электрическое поле формируется тем, что мишень включена как анод. Он может функционировать при потенциале от 100 до 300 кВ, причем дополнительно за мишенью еще используется коллектор 27 с потенциалом от 40 до 120 кВ.

В корпусе, кроме того, предусмотрены первая катушка 28 и вторая катушка 29. На первой катушке 28 намотана мишень согласно фиг. 1, которая выполнена в форме полосы 30, и приводится не показанным образом с помощью сервопривода М2 (установлен снаружи корпуса известным образом на приводном валу для вращения катушки 29). При этом мишень 11 сматывается с катушки 28 и наматывается на катушку 29. Для того чтобы смена катушек 28, 29 была возможна простым способом, предусмотрены указанные штрихпунктирной линией вакуумные шлюзы 31, так что оставшееся пространство корпуса при смене катушек 28, 29 не должно заполняться. Катушки 28, 29 снимаются через указанные заслонки 32.

Электрическая пушка также установлена с возможностью поворота посредством вала 33. Привод осуществляется с помощью двигателя М1. Вал 33 расположен параллельно к плоскости чертежа в подшипниках 34, так что поворот электронной пушки приводит к тому, что пучок 13 электронов может поворачиваться по всей ширине полосы 30. Привод катушек 28, 29 обуславливает то, что пучок электронов также в направлении продольной протяженности полосы 30 может изменять место бомбардировки мишени.

На фиг. 3 показана мишень в форме стержня 45. Она наматывается на накопительную катушку 46 с достаточно большим диаметром, чтобы деформация из-за диаметра катушки 46 не повреждала аэрогель 12 мишени, в частности, подвергается только упругой деформации. Посредством направляющего устройства 47 мишень 45 направляется к пучку 13 электронов. При этом используется двигатель М2, как показано на фиг. 2. Другая катушка для наматывания мишени, в отличие от фиг. 2, не требуется, так как она при облучении пучком 13 электронов испаряется. Однако можно представить себе устройство согласно фиг. 3 встроенным в источник рентгеновского излучения согласно фиг. 2, так что оно применяется вместо катушки 28. Катушка 29 в этом случае не применяется.

Изобретение относится к области рентгенотехники. Источник рентгеновского излучения содержит корпус (19), в котором, в частности, может генерироваться монохроматическое рентгеновское излучение. В соответствии с изобретением предусмотрено, что в корпусе в качестве мишени предоставлен аэрогель (12), например, в форме стержня (45), при этом аэрогель (12) из-за его очень малой плотности и высокой энергии испаряется. Поэтому мишень направляется с помощью катушки (46), так что всегда в распоряжение предоставляется не потребленная мишень для генерации, в частности, монохроматического рентгеновского излучения. Аэрогель (12) зафиксирован на металлической пленке (40) из легкого металла или нескольких легких металлов, причем металлическая пленка (40) имеет отверстия, которые перекрываются материалом мишени. Кроме того, изобретение относится к способу генерации рентгеновского излучения, а также к применению источника рентгеновского излучения для просвечивания тел (например, человеческих тел). Технический результат - снижение тормозного излучения и увеличение срока эксплуатации источника рентгеновского излучения . 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Источник рентгеновского излучения с корпусом (19), в котором предусмотрена мишень (11), которая при бомбардировке пучком (13) электронов может испускать рентгеновское излучение,

отличающийся тем, что

в качестве материала мишени используется аэрогель (12), причем аэрогель (12) зафиксирован на металлической пленке (40) из легкого металла или нескольких легких металлов, причем металлическая пленка (40) имеет отверстия, которые перекрываются материалом мишени.

2. Источник рентгеновского излучения по п. 1, отличающийся тем, что аэрогель (12) зафиксирован на металлической пленке (40) из алюминия.

3. Источник рентгеновского излучения по п. 1, отличающийся тем, что отверстия (41) размещены в соответствии с регулярным узором.

4. Источник рентгеновского излучения по п. 1, отличающийся тем, что отверстия (41) имеют поперечное сечение правильного шестиугольника и размещены в металлической пленке (40) в форме сот.

5. Источник рентгеновского излучения по п. 1, отличающийся тем, что мишень выполнена в форме полосы (30), которая может сматываться с первой катушки (28) и наматываться на вторую катушку (29).

6. Источник рентгеновского излучения по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что металлическая пленка (40) имеет толщину от 0,5 мкм до 10 мкм, предпочтительно 1 мкм.

7. Источник рентгеновского излучения по п. 1, отличающийся тем, что аэрогель (12) имеет форму стержня (45) и с помощью направляющего устройства (47) может проводиться через пучок (13) электронов.

8. Источник рентгеновского излучения по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что в материале мишени содержится элемент из группы лантаноидов.

9. Источник рентгеновского излучения по п. 6, отличающийся тем, что в материале мишени содержится элемент из группы лантаноидов.

10. Источник рентгеновского излучения по п. 7, отличающийся тем, что в материале мишени содержится элемент из группы лантаноидов.

11. Источник рентгеновского излучения по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что несущий материал состоит из легкого металла, в частности алюминия.

12. Источник рентгеновского излучения по п. 6, отличающийся тем, что несущий материал состоит из легкого металла, в частности алюминия.

13. Источник рентгеновского излучения по п. 7, отличающийся тем, что несущий материал состоит из легкого металла, в частности алюминия.

14. Способ генерации рентгеновского излучения, в котором в корпусе (19) источника рентгеновского излучения мишень (11) бомбардируется пучком (13) электронов и испускает рентгеновское излучение,

отличающийся тем, что

в качестве мишени (11) применяют аэрогель (12), причем аэрогель (12) фиксируют на металлической пленке (40) из легкого металла или нескольких легких металлов, причем металлическая пленка (40) имеет отверстия, которые перекрывают материалом мишени.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что монохроматическое рентгеновское излучение, генерируемое с помощью мишени (11), подают для требуемого использования.

16. Способ по п. 14 или 15, отличающийся тем, что новый материал мишени аэрогеля (12) подают, когда старый потреблен пучком (13) электронов.

17. Применение источника рентгеновского излучения, испускающего монохроматическое рентгеновское излучение, согласно любому из пп. 1-13 для просвечивания тела, которое при длине волны применяемого рентгеновского излучения образует дифференцируемый контраст.