Источник рентгеновского излучения с жидкометаллической мишенью и способ генерации излучения
Владельцы патента RU 2709183:
Общество с ограниченной ответственностью "ЭУФ Лабс" (RU)
Изобретение относится к области рентгенотехники, в частности к высокояркостным источникам рентгеновского излучения с жидкометаллической мишенью. Жидкометаллическая мишень (6) представляет собой слой расплавленного металла, образованный центробежной силой на обращенной к оси вращения (7) поверхности (8) кольцевого желоба (9) вращающегося анодного узла (10). Способ генерации рентгеновского излучения включает электронную бомбардировку жидкометаллической мишени (6), материал которой относится к группе Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и их сплавам, и вывод пучка рентгеновского излучения через выходное окно (2) вакуумной камеры (1). Предпочтительно вращающийся анодный узел охлаждают протоком жидкого теплоносителя (20), размер фокусного пятна (4) на мишени составляет менее 50 мкм, а линейная скорость мишени (6) - более 80 м/с. В вариантах изобретения защищают выходное окно (2) от загрязнений с помощью установленной перед ним сменной мембраны из углеродных нанотрубок. Технический результат - упрощение системы формирования жидкометаллической мишени, оптимизация материала мишени, повышение ее скорости, устранение загрязнений выходного окна, увеличение яркости, срока службы и удобства эксплуатации источника рентгеновского излучения. 2 н. и 11 з.п. ф- лы, 2 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к источникам рентгеновского излучения высокой мощности и яркости. Область применения включает в себя рентгеновскую метрологию, микроскопию, рентгеновскую диагностику материалов, биомедицинскую и медицинскую диагностику.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Рентгеновские источники высокой интенсивности применяются в таких областях, как микроскопия, материаловедение, биомедицинская и медицинская диагностика, испытание материалов, анализ кристаллов и наноструктур, атомная физика, и служат основой аналитической базы современного высокотехнологичного производства и одним из основных инструментов при разработке новых материалов и изделий на их основе.
Для реализации методов рентгеновской диагностики требуются компактные источники рентгеновского излучения высокой яркости, характеризующиеся надежностью и большим временем жизни.
В соответствии с одним из подходов, известном из патента US 6185277, опубл. 06.02.2001, способ генерации рентгеновского излучения включает в себя электронную бомбардировку жидкометаллической мишени через тонкое окно замкнутого контура, по которому циркулирует жидкий металл.
Способ и устройство позволяют обеспечить отсутствие загрязнений вакуумной камеры при турбулентном течении мишени в области тонкого окна замкнутого контура. Также реализуется возможность использовать жидкие металлы, не ограничиваясь теми из них, которые имеют низкое давление насыщенных паров, что позволяет оптимизировать материал мишени для повышения выхода рентгеновского излучения, David B, et al. (2004) Liquid-metal anode x-ray tube SPIE 5196, 432-443, in: Laser-Generated and Other Laboratory X-Ray and EUV Sources, Optics, and Applications; (G Kyrala, et al; Eds.)
Однако, несмотря на несомненные преимущества систем с жидкометаллической анодной мишенью, система циркуляции с МГД- насосной системой, обеспечивающей напор более 50 атм и максимальную скорость мишени 40 м/с, а также тонкое, толщиной несколько микрон, предпочтительно алмазное окно замкнутого контура, усложняют устройство. Кроме этого, наличие окна, через которое осуществляется электронная бомбардировка, подверженного механическим, тепловым и радиационным нагрузкам, ограничивает применение высоких плотностей потока энергии электронного пучка на мишени и достижение высокой яркости источника рентгеновского излучения.
В значительной степени этого недостатка лишены известные из патентной заявки US 20020015473, опубл. 07.02.2002, способ и устройство для генерации рентгеновского излучения использованием жидкометаллической анодной мишени в виде струи.
Источники этого типа характеризуются компактностью и высокой стабильностью рентгеновского излучения. Благодаря большой площади контакта жидкого металла с охлаждающей поверхностью теплообменного устройства, достигается быстрое снижение температуры мишени. Таким образом, удается получить высокую плотность потока энергии электронного пучка на мишени и обеспечить очень высокую спектральную яркость источника рентгеновского излучения. Так, рентгеновские источники с жидкометаллической струйной мишенью имеют яркость примерно на порядок величины более высокую, чем современные рентгеновские источники с твердым вращающимся анодом и использованием жидкого металла в качестве гидродинамического подшипника и для теплопередачи, известные, например, из патента US 7697665, опубл. 13.04.2010.
Однако система циркуляции струйной жидкометаллической мишени, включающая газонапорную часть и высоконапорную насосную систему для перекачки жидкого металла, достаточно сложна. Кроме этого, для указанных источников излучения характерна проблема загрязнения выходного окна. Основными источниками загрязнений являются сопло и улавливатель жидкометаллической струи, из области которых распространяется туман из микрокапель материала мишени. В результате, как правило, мощность источника излучения уменьшается тем быстрее, чем больше мощность пучка энергии.
Частично этого недостатка лишен высокояркостный источник рентгеновского излучения, известный из патента US 8681943, опубл. 25.03.2014, в котором пучок рентгеновского излучения, создаваемого в результате электронной бомбардировки струйной жидкометаллической мишени (предпочтительно жидкий металл с низкой температурой плавления, такой как индий, олово, галлий, свинец или висмут или их сплав), покидает вакуумную камеру через выходное окно (предпочтительно из бериллиевой фольги), снабженное защитным пленочным элементом с системой его испарительной очистки.
Это решение позволяет увеличить интервалы между сервисным обслуживанием источника рентгеновского излучения для смены выходного окна.
Однако требуемые для испарительной очистки температуры высоки, например, составляя около 1000°С и более, для испарения Ga и In, что значительно усложняет устройство.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая проблема, которая должна быть решена с помощью изобретения, относится к созданию источников рентгеновского излучения высокой яркости с глубоким подавлением потока загрязняющих частиц на пути прохождения пучка рентгеновского излучения для улучшения их эксплуатационных характеристик.
Достижение этих целей возможно с помощью источника рентгеновского излучения, содержащего вакуумную камеру с выходным окном для выхода пучка рентгеновского излучения, генерируемого в фокусном пятне электронного пучка на жидкометаллической мишени.
Устройство характеризуется тем, что мишень представляет собой слой расплавленного металла, образованный центробежной силой на обращенной к оси вращения поверхности кольцевого желоба вращающегося анодного узла электронной пушки.
В варианте осуществления изобретения анодный узел представляет собой диск с периферийной частью в виде кольцевого барьера, на внутренней поверхности которого, обращенной к оси вращения, имеется кольцевой желоб с профилем поверхности, предотвращающим выброс материала жидкометаллической мишени в радиальном направлении и в обоих направлениях вдоль оси вращения.
Предпочтительно размер фокусного пятна пучка электронов на жидкометаллической мишени составляет менее 50 мкм.
Предпочтительно линейная скорость жидкометаллической мишени составляет не менее 80 м/с.
Предпочтительно вращающийся анодный узел снабжен системой охлаждения с протоком жидкого теплоносителя.
В варианте осуществления изобретения в вакуумной камере на пути выхода пучка рентгеновского излучения установлена мембрана из углеродных нанотрубок (УНТ-мембрана)
В варианте реализации изобретения введен узел замены УНТ- мембраны, не требующей разгерметизации вакуумной камеры.
В другом аспекте изобретение относится к способу генерации рентгеновского излучения, включающему электронную бомбардировку жидкометаллической мишени, и вывод пучка рентгеновского излучения, генерируемого в фокусном пятне электронного пучка на жидкометаллической мишени, через выходное окно вакуумной камеры.
Способ генерации рентгеновского излучения характеризуется тем, что жидкометаллическую мишень формируют в виде слоя расплавленного металла, относящегося к группе Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi и их сплавы, на обращенной к оси вращения поверхности кольцевого желоба вращающегося анодного узла.
В вариантах реализации изобретения производят электронную бомбардировку жидкометаллической мишени с размером фокусного пятна менее 50 мкм.
Предпочтительно обеспечивают линейную скорость мишени более 80 м/с.
Предпочтительно вращающийся анодный узел охлаждают протоком жидкого теплоносителя.
В вариантах реализации изобретения в случаях замедления или остановки вращения предварительно прекращают электронную бомбардировку жидкометаллической мишени и охлаждают ее до твердого состояния.
В вариантах реализации изобретения обеспечивают защиту выходного окна от загрязнений с помощью установленной перед ним УНТ- мембраны и периодически производят замену УНТ мембраны.
Техническим результатом изобретения является упрощение системы формирования жидкометаллической мишени, обеспечение возможностей использования электронных пучков большей мощности за счет повышения скорости мишени в фокусном пятне, оптимизации материала мишени, устранение загрязнений выходного окна, реализация на этой основе возможностей повышения яркости, срока службы и удобства эксплуатации источников рентгеновского излучения.
Вышеупомянутые и другие цели, преимущества и особенности настоящего изобретения станут более очевидными из следующего неограничивающего описания вариантов его осуществления, приведенных в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1, 2 - схемы источника рентгеновского излучения высокой яркости в соответствии с настоящим изобретением,
На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые ссылочные номера.
Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративные материалы частных случаев его реализации.
Варианты ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 схематично представлен источник рентгеновского излучения с жидкометаллической мишенью в варианте реализации настоящего изобретения. Источник рентгеновского излучения содержит вакуумную камеру 1 с выходным окном 2 для выхода пучка рентгеновского излучения 3, генерируемого в фокусном пятне 4 электронного пучка 5 на мишени 6 в результате ее электронной бомбардировки.
Вакуумная камера 1 может быть снабжена системой вакуумной откачки, либо быть отпаяной.
Герметичное выходное окно 2 предпочтительно состоит из тонкой мембраны. Требования к материалу выходного окна включают высокую прозрачность для рентгеновских лучей, то есть низкий атомный номер, и достаточную механическую прочность, чтобы отделить вакуум от давления окружающей среды. Бериллий широко используется в таких окнах.
Источник рентгеновского излучения, характеризуется тем, что мишень 6 представляет собой слой расплавленного металла, образованный центробежной силой на обращенной к оси вращения 7 поверхности 8 кольцевого желоба 9 вращающегося анодного узла 10 электронной пушки. Электронная пушка наряду с вращающимся анодным узлом 10, также включает в себя катодный модуль 11 и блок питания 12.
Вращение анодного узла 10, закрепленного на валу 13 со стабилизированной осью вращения 7 производят с помощью электродвигателя, либо другого привода.
При достаточно большой центробежной силе поверхность жидкометаллической мишени 6 параллельна оси вращения 7, Фиг. 1.
Для формирования мишени 6 вращающийся анодный узел 10 предпочтительно выполнен в виде диска, имеющего периферийную часть в виде кольцевого барьера 14 или бортика. На внутренней поверхности кольцевого барьера 14, обращенной к оси вращения 7, имеется кольцевой желоб 9 или углубление. Кольцевой желоб 9 выполнен с функцией предотвращения выброса материала мишени 6 в радиальном направлении и в обоих направлениях вдоль оси вращения 7. Поверхность желоба может быть образована цилиндрической поверхностью 8, обращенной к оси вращения 7, и двумя радиальными поверхностями, как показано на Фиг. 1, не ограничиваясь только этим вариантом.
В соответствии с изобретением поверхность жидкометаллической мишени 6 является круглоцилиндрической. При этом объем материала жидкометаллической мишени 6 не больше объема кольцевого желоба 9, Фиг. 1.
Привод вращения может быть выполнен в виде электродвигателя с размещенным в вакуумной камере 1 цилиндрическим ротором 15 с валом вращения13 и статором 16, расположенным снаружи вакуумной камеры 1.
В других вариантах реализации изобретения привод вращения может быть в виде магнитной муфты с наружной ведущей полумуфтой и ведомой внутренней полумуфтой.
Для увеличения магнитного сцепления часть стенки вакуумной камеры между внутренней и наружной частями 15, 16 привода вращения должна быть достаточно тонкой, а ее материал должен иметь большое электрическое сопротивление и минимальную магнитную проницаемость. Этим материалом может быть диэлектрик или нержавеющая сталь. В последнем случае толщина стенки может быть около 0,5 мм.
В частном варианте реализации изобретения, Фиг. 1, вращающийся анодный узел 10 с ротором 15 поддерживается с помощью жидко- металлического гидродинамического подшипника, который включает в себя неподвижный вал 17 и слой жидкого металла 18, например, галлия или его сплава, такого, например, как галлий-индий-олово (GaInSn), характеризующегося малой вязкостью и низкой температурой плавления.
Ротор 15 имеет кольцевой скользящий уплотнитель 19, окружающий часть боковой поверхности неподвижного вала 17 с зазором между ними. Зазор между скользящим уплотнителем 19 и неподвижным валом 17 имеет величину, которая обеспечивает вращение вала 13 с ротором 15 без утечки жидкого металла 18. Для этого ширина зазора составляет 500 мкм или менее. Скользящий уплотнитель 19 на Фиг. 1 имеет несколько кольцевых канавок, в которых аккумулируется жидкий металл 18. Таким образом, скользящий уплотнитель 19 функционирует как лабиринтное уплотнительное кольцо.
Гидродинамический подшипник с жидким металлом может выдерживать очень высокие температуры, не загрязняя вакуум. Большая поверхность контакта подшипника и жидкометаллическая смазка обеспечивают высокоэффективный отвода тепла от вращающегося анодного узла 10 посредством жидкого теплоносителя 20, например воды, либо теплоносителя с более высокой температурой кипения. Для жидкого теплоносителя 20, циркулирующего через теплообменник системы охлаждения (не показан), в неподвижном вале 17 имеются входной 21 и выходной 22 каналы, направление потока теплоносителя 20 в которых изображено стрелками на Фиг. 1.
В соответствии с этим, в предпочтительных вариантах реализации изобретения вращающийся анодный узел 10 снабжен системой охлаждения с протоком жидкого теплоносителя 20.
В варианте осуществления, представленном на Фиг. 1, слой жидкого металла 18 служит в качестве скользящего электрического контакта между вращающимся анодным узлом 10 и блоком питания 12 электронной пушки, а также для передачи тепла от вращающейся мишени 6 к жидкому теплоносителю 20.
В других вариантах реализации изобретения жидкий теплоноситель 20 может подаваться непосредственно во вращающийся анодный узел 10. Для герметизации вращающихся частей могут использоваться магнитожидкостные уплотнения и/или скользящие манжеты. Для опоры вращающегося анодного узла могут использоваться различные виды подшипников качения.
Источнику рентгеновского излучения с жидкометаллической мишенью, выполненному в соответствии с настоящим изобретением, присущи достоинства современных рентгеновских трубок циклического действия для томографии. Последним, как известно из Wikipedia: X-ray tube, присущи высокая, до 100 кВт, рабочая мощность, достигнутая при теплоемкости вращающегося анода около 5 МДж при эффективной площади фокусного пятна менее 1 мм2.
Кроме этого, источнику рентгеновского излучения, выполненному в соответствии с настоящим изобретением, присущи и достоинства рентгеновских источников со струйным жидкометаллическим анодом, позволяющие работать с очень маленьким размером фокусных пятен, поскольку нет ограничений, связанных с расплавлением мишени. В соответствии с этим, в предпочтительных вариантах изобретения высокояркостный источник рентгеновского излучения является микрофокусным. В этих вариантах осуществления изобретения с помощью системы электростатических и/или магнитных линз, расположенных в катодном модуле 11, формируется пучок электронов 5 с фокусным пятном 4 на жидкометаллической мишени 6 размером от 50 до 5 мкм. В принципе, могут быть получены фокусные пятна размером менее 1 мкм.
Материал мишени предпочтительно относится к группе нетоксичных легкоплавких металлов, включающей себя Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и их сплавы. Предпочтительными являются металлы и их сплавы с низким давлением паров, например, Ga и Sn и их сплавы.
Так, материалом мишени 6 может быть сплав Galinstan, содержащий массовые доли 68,5% Ga, 21,5 % In и 10% Sn с температурой плавления и замерзания около -19°C , находящиеся все время эксплуатации в жидком состоянии. Предпочтительным материалом мишени может быть сплав с массовой долей 95%Ga и 5% In, имеющий температуру плавления 25°C и температуру замерзания около 16°C.
Предпочтительными для эксплуатации, а также для хранения и перевозки источника рентгеновского излучения могут быть материалы мишени, которые являются твердыми в нерабочем состоянии и требуют разогрева, например, самим электронным пучком 5 для перехода в рабочий режим. В качестве таких материалов мишени могут использоваться: сплав Sn/In с температурой плавления 125°С, сплав содержащий 66 % In и 34% Bi, имеющий температуру плавления и замерзания около 72°С, не ограничиваясь только ими.
Для повышения выхода рентгеновского излучения предпочтительно использование материала мишени с высоким атомным номером, например, сплавов на основе свинца.
В целом, предложенная конструкция вращающегося анодного узла определяет широкий диапазон возможностей оптимизации материала мишени.
Для перевода материала мишени в расплавленное состояние рентгеновский источник излучения может быть снабжен компактным нагревательным устройством 23, которое может использовать индукционный нагрев. Предпочтительно нагревательное устройство 23 выполнено с возможностью стабилизации температуры материала мишени в заданном оптимальном диапазоне температур.
В вариантах осуществления изобретения линейная скорость мишени составляет не менее 80°м/с, что выше, чем у известных аналогов. Большая скорость мишени дает возможность работы при высоком, киловаттном уровне мощности электронного пучка и обеспечивает более эффективное рассеивание вкладываемой в мишень мощности.
Благодаря наличию центробежной силы поверхность вращающейся мишени обладает стабильностью и устойчивостью к возмущениям, вносимым электронным пучком. При достаточно высокой скорости вращения электронный пучок взаимодействует с невозмущенной «свежей» поверхностью мишени, что обеспечивает высокую пространственную и энергетическую стабильность источника рентгеновского излучения. При этом стабильность поверхности мишени тем выше, чем выше скорость жидкометаллической мишени.
Предложенная конструкция анодного узла позволяет реализовать частоту его вращения, до 200-400 оборотов/с. Это обеспечивает возможность достижения значений линейной скоростей жидкометаллической мишени в фокусном пятне электронного пучка до 100-200 м/с. При этом не требуются системы прокачки высокого давления, применяемые в известных аналогах. Это значительно упрощает устройство источника рентгеновского излучения высокой яркости.
В отличие от рентгеновских источников со струйным жидкометаллическим анодом, в предложенной конструкции уровень генерируемых загрязнений существо снижается, поскольку устраняются такие его интенсивные источники, как сопло и улавливатель жидкометаллической струи, из области которых распространяется туман из микрокапель материала мишени. В результате не требуются сложные системы испарительной очистки выходного окна и его сравнительно частые замены. В результате предложенное изобретение существенно повышает надежность и удобство эксплуатации рентгеновского источника излучения с жидкометаллической мишенью. Реализуется возможность его эксплуатации без дополнительных средств подавления загрязнений.
Тем не менее, во время длительной эксплуатации источника рентгеновского излучения с жидкометаллической мишенью прозрачность выходного окна 2 может снижаться за счет осаждения на его поверхности паров и кластеров материала мишени. В связи с этим, с целью обеспечения максимально большой длительности эксплуатации без сложного сервисного обслуживания для защиты выходного окна 2 в рентгеновской трубке могут дополнительно использоваться средства защиты выходного окна 2 от загрязнений.
На Фиг. 2 схематично показан вариант реализации источника рентгеновского излучения с жидкометаллической мишенью, в вакуумной камере 1 которого на пути выхода пучка рентгеновского излучения 3 установлена мембрана 24 из углеродных нанотрубок (УНТ- мембрана).
На Фиг. 2 ось вращения 7 перпендикулярна плоскости чертежа. Вращающийся анодный узел 10 с жидкометаллической мишенью 6 электрически соединен с блоком питания 12 электронной пушки через скользящий электрический контакт 26, который предпочтительно расположен на валу вращения. Части устройства, которые в этом варианте осуществления являются такими же, как в вышеописанных вариантах осуществления (Фиг. 1), имеют на Фиг. 2 те же номера позиций, и их подробное описание опущено.
УНТ- мембрана 24 представляет собой элемент, предпочтительно сменный, в виде закрепленной на раме или в оправе свободно стоящей УНТ- пленки, толщиной примерно от 200 до 20 нм, не ограничиваясь только этим диапазоном, которая мало поглощает рентгеновское излучение и может иметь покрытия и/или наполнитель для увеличения срока службы или придания других свойств. Так, УНТ - мембрана может служить прочный основой, на которую нанесено покрытие, например, металлическая фольга, служащая спектральным фильтром рентгеновского диапазона.
Как показали исследования, в отличие от большинства материалов покрытий, УНТ– мембрана не смачивается материалом мишени и в значительно меньшей степени адсорбирует его. В связи с этим, УНТ- мембрана может иметь покрытие, но предпочтительно со стороны, находящейся вне области прямой видимости фокусного пятна 4 и меньше подверженной воздействию загрязнений. При этом УНТ - мембрана 24 предпочтительно установлена вплотную к выходному окну 2, обеспечивая полную защиту от загрязнений как выходного окна, так и обращенной к нему стороны УНТ – мембраны 24.
Обладающая хорошей электропроводностью УНТ – мембрана 24 предпочтительно заземлена для снятия с нее электростатического заряда, что уменьшает осаждение на нее загрязнений.
В вариантах реализации изобретения в рентгеновской трубке 1 установлен компактный узел 25 замены УНТ – мембраны после достижении заданной величины уменьшения ее прозрачности. Предпочтительно узел 25 замены УНТ - мембраны функционирует без разгерметизации вакуумной камеры 1. Узел 25 замены УНТ - мембраны, например, револьверного типа, может приводиться в действие снаружи вакуумной камеры 1, например, с приводом через магнитную муфту, либо через сальник, либо посредством миниатюрного шагового двигателя, установленного в вакуумной камере, не ограничиваясь только этими вариантами.
Способ генерации рентгеновского излучения реализуют следующим образом. Откачивают вакуумную камеру 1 безмасляной насосной системой до давления ниже 10-5-10-8 бар. Осуществляют вращение анодного узла 10, например, с помощью двигателя, состоящего из статора 16 и ротора 15. В вариантах реализации изобретения вращение осуществляют с гидродинамическим подшипником, включающим в себя неподвижный вал 17 и слой жидкого металла 18, Фиг. 1.
Под действием центробежной силы формируют мишень 6 в виде слоя расплавленного металла, относящегося к группе Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и их сплавы, на обращенной к оси вращения 7 поверхности 8 кольцевого желоба 9 вращающегося анодного узла 10.
При необходимости материал мишени предварительно приводят в расплавленное состоянии с помощью неподвижного нагревательного устройства 23.
Включают блок питания 12 электронной пушки и систему охлаждения вращающегося анодного узла с протоком жидкого теплоносителя 20. С помощью блока питания 12 между катодом, размещенным в катодном модуле 11, и вращающимся анодным узлом 10 прикладывают высокое напряжение, обычно между 40 кВ и 160 кВ. Этим потенциалом напряжения ускоряют излучаемые катодом электроны в направлении вращающегося анода 10.
Осуществляют электронную бомбардировку жидкометаллической мишени электронным пучком 5, производимым электронной пушкой. В результате электронной бомбардировки в фокусном пятне 4 на вращающейся жидкометаллической мишени 6 генерируют пучок рентгеновского излучения 3, покидающий вакуумную камеру через выходное окно 2.
Для достижения высокой яркости источника рентгеновского излучения производят электронную бомбардировку жидкометаллической мишени микрофокусной электронной пушкой с размером фокусного пятна 4 в диапазоне от 50 до 1 мкм. Для получения малых размеров фокусного пятна в катодном модуле 11 электронной пушки используют фокусирующие приспособления в виде электростатических и/или магнитных и электромагнитных линз.
Для уменьшения гидродинамической и термической нагрузки на поверхность мишени в фокусном пятне осуществляют ее вращение с высокой линейной скоростью, более 80 м/с.
Предпочтительно теплоотвод от вращающегося мишенного узла 10 осуществляют с помощью системы охлаждения с протоком жидкого теплоносителя 20. В частном случае реализации изобретения теплоотвод от вращающегося мишенного узла к жидкому теплоносителю осуществляют через слой жидкого металла 18 гидродинамического подшипника, Фиг. 1.
В вариантах осуществления изобретения теплоотвод может быть радиационным.
Источник рентгеновского излучения может работать в непрерывном или циклическом режиме. В последнем случае анод после каждого цикла может затормаживаться, что увеличивает срок его службы.
В вариантах реализации способа при замедлении или остановке вращения предварительно прекращают электронную бомбардировку мишени и охлаждают мишень до твердого состояния. Это обеспечивает удобство эксплуатации источника рентгеновского излучения, в частности, возможность любой ориентации оси вращения 7 анодного узла 10 и вывод пучка рентгеновского излучения 3 в любом требуемом направлении.
При достижении заданного изменения прозрачности УНТ - мембраны осуществляют ее замену с помощью узла 25 замены. Компактный узел замены УНТ - мембраны может быть револьверного либо карусельного типа с магазином, вмещающим необходимое на весь срок службы источника излучения количество сменных УНТ - мембран 24. Узел 25 замены УНТ - мембраны может приводиться в действие снаружи вакуумной камеры 1, например, через магнитную муфту, либо через сальник, либо посредством установленного в вакуумной камере миниатюрного механизма с шаговым двигателем, не ограничиваясь только этими вариантами.
Вращающаяся с высокой скоростью жидкометаллическая мишень производит существенно меньше загрязнений по сравнению с источниками рентгеновского излучения со струйным жидкометаллическим анодом. При этом несомненным преимуществом предложенной конструкции является устранение необходимости применения чрезвычайно сложной системы испарительной очистки выходного окна при температурах 1000° С и выше Все это упрощает конструкцию, повышает длительность работы источника рентгеновского излучения высокой яркости и улучшает условия его обслуживания и эксплуатации.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет повысить яркость источников рентгеновского излучения с жидкометаллической мишенью, упростить конструкцию, повысить срок службы и удобство их эксплуатации.
ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Предложенные устройства предназначены для ряда применений, включающих микроскопию, материаловедение, рентгеновскую диагностику материалов, биомедицинскую и медицинскую диагностику.
1. Источник рентгеновского излучения, содержащий вакуумную камеру (1) с выходным окном (2) для выхода пучка рентгеновского излучения (3), генерируемого в фокусном пятне (4) электронного пучка (5) на жидкометаллической мишени (6) вращающегося анодного узла (10), характеризующийся тем что:
вращающийся анодный узел имеет форму диска с периферийной частью в виде кольцевого барьера (14), на поверхности которого, обращенной к оси вращения (7), выполнен кольцевой желоб (9),
жидкометаллическая мишень (6) представляет собой слой расплавленного металла, образованный центробежной силой на обращенной к оси вращения (7) поверхности (8) кольцевого желоба (9), и
кольцевой желоб (9) имеет профиль поверхности, предотвращающий выброс материала жидкометаллической мишени (6) в радиальном направлении и в обоих направлениях вдоль оси вращения (7).
2. Устройство по п. 1, в котором вращающийся анодный узел (10) снабжен системой охлаждения с протоком жидкого теплоносителя (20).
3. Устройство по п. 1, в котором материал мишени выбран из легкоплавких металлов, относящихся к группе Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и их сплавам.
4. Устройство по п. 1, в котором размер фокусного пятна (4) пучка электронов на мишени составляет менее 50 мкм.
5. Устройство по п. 1, в котором линейная скорость мишени составляет не менее 80 м/с.
6. Устройство по п. 1, в вакуумной камере которого на пути выхода пучка рентгеновского излучения (3) установлена мембрана (24) из углеродных нанотрубок (УНТ-мембрана).
7. Устройство по п. 6, в котором УНТ-мембрана (24) имеет покрытие со стороны, находящейся вне области прямой видимости фокусного пятна (4) на мишени.
8. Устройство по п. 7, в котором введен узел (25) замены УНТ-мембраны, не требующей разгерметизации вакуумной камеры.
9. Способ генерации рентгеновского излучения, включающий электронную бомбардировку жидкометаллической мишени (6), вывод пучка рентгеновского излучения (3), генерируемого в фокусном пятне (4) электронного пучка (5) на жидкометаллической мишени, через выходное окно (2) вакуумной камеры (1), характеризующийся тем, что под действием центробежной силы формируют жидкометаллическую мишень в виде слоя расплавленного металла, относящегося к группе Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и их сплавам, на обращенной к оси вращения (7) поверхности (8) кольцевого желоба (9) вращающегося анодного узла (10),
предотвращают выброс материала жидкометаллической мишени (6) в радиальном направлении и в обоих направлениях вдоль оси вращения (7) за счет выбранного профиля поверхности кольцевого желоба,
обеспечивают защиту выходного окна (2) от загрязнений с помощью установленной перед ним УНТ-мембраны (24) и периодически производят замену УНТ-мембраны.
10. Способ по п. 10, в котором производят электронную бомбардировку жидкометаллической мишени (6) с размером фокусного пятна (4) менее 50 мкм.
11. Способ по п. 10, в котором вращают жидкометаллическую мишень с линейной скоростью более 80 м/с.
12. Способ по п. 10, в котором вращающийся анодный узел охлаждают протоком жидкого теплоносителя 20.
13. Способ по п. 10, в котором в случаях замедления или остановки вращения предварительно прекращают электронную бомбардировку жидкометаллической мишени и охлаждают ее до твердого состояния.
