Источник рентгеновского излучения

Изобретение относится к рентгеновской технике, в частности к рентгеновским трубкам, и может быть использовано в радиационных технологиях, неразрушающем контроле, рентгеноструктурном анализе, медицине для диагностики и терапии, а также в других областях техники. Технический результат - повышение допустимых плотностей мощности электронного потока на мишень источника рентгеновского излучения, в частности на анод рентгеновских трубок. Источник рентгеновского излучения включает генератор электронного пучка и мишень для генерации рентгеновского излучения из области взаимодействия мишени с пучком электронов, размещенную на подложке для отвода выделяемого в мишени тепла, между которыми введена алмазная пластина толщиной больше минимального размера области взаимодействия электронов с поверхностью мишени в 1/е раз, где е - 2,71, имеющая тепловой контакт с мишенью и подложкой, при этом мишень и подложка электрически связаны между собой. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к рентгеновской технике, в частности к рентгеновским трубкам, и может быть использовано в радиационных технологиях, неразрушающем контроле, рентгеноструктурном анализе, медицине для диагностики и терапии, а также в других областях техники.

В известных конструкциях источника рентгеновского излучения мишень, генерирующая его под воздействием электронного пучка, выполнена из металла с большим атомным номером, при этом металл расположен на подложке, предназначенной для пространственной ориентации мишени и отвода выделяемого в ней тепла /патент РФ 2170472/.

Интенсивность рентгеновского излучения, а также выделяемое в мишени тепло пропорциональны плотности мощности электронного потока.

Общим недостатком, присущим источникам рентгеновского излучения, является ограничение по допустимым удельным нагрузкам на мишень, превышение которых приводит к ее тепловому разрушению.

Известен источник рентгеновского излучения, в котором мишень выполнена в виде вращающего анода, что обеспечивает неразрушающий температурный режим ее работы /патент РФ 2195739/.

Недостатками этого технического решения являются сложность конструкции и ненадежность в эксплуатации.

Ближайшим техническим решением является источник рентгеновского излучения, включающий генератор электронного пучка, мишень из материала с большим атомным номером, расположенную на углеродной подложке /патент РФ 2046558/. Это решение позволило увеличить вдвое среднюю плотность выделяемой в ней мощности, подняв ее до 50 Вт/см².

Недостатком этого технического решения является сохраняющиеся ограничения по допустимой плотности мощности электронного потока на мишень источника.

Задачей изобретения является устранение указанного выше недостатка.

Техническим результатом предложенного технического решения является повышение допустимых плотностей мощности электронного потока на мишень источника рентгеновского излучения, в частности на анод рентгеновских трубок.

Указанная задача решается, а технический эффект достигается за счет того, что в источнике рентгеновского излучения, включающем генератор электронного пучка и мишень для генерации рентгеновского излучения из области взаимодействия мишени с пучком электронов, размещенную на подложке для отвода выделяемого в мишени тепла, между мишенью и подложкой дополнительно введена алмазная пластина толщиной больше минимального размера области взаимодействия пучка электронов с поверхностью мишени в 1/е раз, где е - 2,71 (экспонента), имеющая тепловой контакт с мишенью и подложкой, при этом мишень и подложка электрически связаны между собой.

Алмазная пластина выполнена из CVD-алмаза.

Подложка имеет систему принудительного охлаждения, в частности водяного.

На фиг. 1 приведены временные зависимости температуры поверхности мишени в области ее взаимодействия с электронным пучком для разных конструкций мишени и подложки при различных плотностях мощности потока.

На фиг. 2 схематично показана работа источника рентгеновского излучения в импульсном режиме.

На фиг. 3 схематично показаны мишень и подложка источника рентгеновского излучения, работающих в непрерывном режиме.

В ходе проведенных расчетов было установлено, что на мишени и массивной подложке, выполненных из молибдена, температура поверхности мишени 600°C в области взаимодействия электронов с поверхностью (полоска длиной 3 мм, шириной 0.3 мм) за 1 секунду достигается при плотности мощности q=17 кВт/см² (фиг. 1, кривая «а»), а с подложкой, выполненной из меди, при q=26 кВт/см² (фиг. 1, кривая «b»).

При введении алмазной пластины квадратной формы 10×10 мм и толщиной 1 мм между мишенью и медной подложкой такая же температура за то же время была достигнута при плотности мощности 60 кВт/см² (фиг. 1, кривая «с»).

Таким образом, применение алмазной пластины в электроде рентгеновского излучения повышает допустимые удельные нагрузки в 2,5-4 раза при том же температурном режиме.

Расчеты также показали, что алмазная пластина начинает эффективно отводить тепло, когда ее толщина превышает минимальный размер области взаимодействия электронов с поверхностью мишени (ширину пучка электронов на поверхности мишени) в 1/е раз, где е - 2,71 - экспонента, а размер пластины в направлении ширины пучка превышает ее в несколько раз. Дальнейшее увеличение размера пластины слабо влияет на температурный режим.

Расчеты проводились на программе Ansys, теплофизические характеристики молибдена и меди брались согласно / Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др. / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с./, а температурная зависимость теплопроводности алмаза брались согласно /Ивакин Е.В., Суходолов А.В., Ральченко В.Г. и др. Измерение теплопроводности поликристаллического CVD-алмаза методом импульсных динамических решеток. Квантовая электроника, 32, №4 (2002), с. 367-372/.

Полученное увеличение удельных тепловых нагрузок при использовании алмазной пластины объясняется высокой теплопроводностью алмаза, позволяющей распределить поток тепла на большую площадь подложки.

Работа источника рентгеновского излучения в импульсном режиме пояснена на фиг. 2.

Узкий высокоэнергетический пучок электронов 1, сформированный его генератором 2, например электронной пушкой, падает на поверхность электрода, полностью тормозясь в мишени 3, выполненный из тугоплавкого материала, например молибдена, толщиной в десять микрон, достаточной для поглощения электронов с энергией до 50 кэВ /Коваленко В.Ф. Теплофизические процессы и электровакуумные приборы. М.; Сов. Радио. 1975, 216 с./. Тормозясь в мишени, электроны возбуждают электроны внутренних оболочек атомов молибдена, вынуждая их излучать в рентгеновском диапазоне спектра. Часть энергии электронного потока преобразуется в тепло, нагревая мишень. Ввиду тонкости мишени, десять микрон, выделенное в локальной области мишени тепло сразу же передается алмазной пластине 4 и эффективно распространяется вдоль пластины вследствие высокой теплопроводности алмаза. В результате, в подложку 5, выполненную, например, из меди, тепло передается от всей алмазной пластины 4, т.е. тепловой поток проходит через большую площадь подложки 5, по сравнению с прототипом, что приводит к снижению удельных тепловых нагрузок. Это позволяет либо понизить температуру мишени при фиксированной тепловой нагрузке, либо повысить нагрузку при фиксированной температуре мишени. Мишень 3 и подложка 5 электрически связаны между собой через контакт 6.

Таким образом, введение алмазной пластины между мишенью и подложкой повышает допустимую плотность мощности электронного потока, не меняя температурного режима работы анода.

Использование алмазной пластины из CVD-алмаза расширит функциональные возможности изобретения, позволит, например, отводить тепло в источнике рентгеновского излучения, работающего с несколькими электронными пучками одновременно, так как размеры CVD-алмазных пластин составляют до 100×100 мм.

Конструкция мишени с подложкой и алмазной пластины между ними, работающих в непрерывном режиме, пояснена на фиг. 3.

Для работы источника рентгеновского излучения в непрерывном режиме подложку 5 дополняют системой принудительного охлаждения, например в ней делают каналы 7 для принудительной прокачки по ним воды.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет увеличить допустимые плотности мощности электронного потока, не меняя температурный режим работы мишени, что повышает интенсивность рентгеновского излучения и/или время работы источника рентгеновского излучения, в частности рентгеновской трубки в режиме ее генерации (время экспозиции).

Кроме того, дополнительное применение принудительного водяного охлаждения позволяет реализовать непрерывный режим генерации рентгеновского излучения.

1. Источник рентгеновского излучения, включающий генератор электронного пучка и мишень для генерации рентгеновского излучения из области взаимодействия мишени с пучком электронов, размещенную на подложке для отвода выделяемого в мишени тепла, отличающийся тем, что между мишенью и подложкой введена алмазная пластина толщиной больше минимального размера области взаимодействия электронов с поверхностью мишени в 1/е раз, где е - 2,71, имеющая тепловой контакт с мишенью и подложкой, при этом мишень и подложка электрически связаны между собой.

2. Источник рентгеновского излучения по п. 1, отличающийся тем, что алмазная пластина выполнена из CVD-алмаза.

3. Источник рентгеновского излучения по п. 1, отличающийся тем, что подложка имеет систему принудительного охлаждения.

4. Источник рентгеновского излучения по п. 3, отличающийся тем, что система принудительного охлаждения работает на воде.