RU2594172C1

RU2594172C1 - X-ray source

Info

Publication number: RU2594172C1
Application number: RU2015119141/07A
Authority: RU
Inventors: Игорь Анатольевич Леонтьев; Юрий Михайлович ЯШНОВ; Олег Юрьевич КУДРЯШОВ; Олег Юрьевич Масленников; Игорь Анатольевич Гузилов; Владимир Николаевич Ильин
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн"; Общество с ограниченной ответственностью "Базовые технологии вакуумных приборов"
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2016-08-10

Abstract

FIELD: x-ray equipment.

SUBSTANCE: invention can be used in radiation technologies, nondestructive inspection, x-ray structural analysis, medicine for diagnosis and therapy, as well as in other engineering fields. X-ray source includes electron beam generator and a target for generation of x-ray radiation from region of interaction of target with electron beam, arranged on a substrate for removal of released heat from target, between which there is a diamond plate with thickness greater than minimum size of region of interaction of electrons with surface of target by 1/e times, where e is 2.71, having thermal contact with target and substrate, wherein target and substrate are electrically interconnected.

EFFECT: increased allowable power density of electron stream on target of x-ray source, in particular to anode of x-ray tubes.

4 cl, 3 dwg

Description

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.The invention relates to x-ray technology, in particular to x-ray tubes, and can be used in radiation technologies, non-destructive testing, X-ray analysis, medicine for diagnosis and therapy, as well as in other areas of technology.

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/.In known designs of the x-ray source, the target that generates it under the influence of an electron beam is made of metal with a large atomic number, and the metal is located on a substrate designed for the spatial orientation of the target and the heat generated in it / RF patent 2170472 /.

Интенсивность рентгеновского излучения, а также выделяемое в мишени тепло пропорциональны плотности мощности электронного потока.The x-ray intensity, as well as the heat generated in the target, is proportional to the power density of the electron beam.

Общим недостатком, присущим источникам рентгеновского излучения, является ограничение по допустимым удельным нагрузкам на мишень, превышение которых приводит к ее тепловому разрушению.A common drawback inherent in x-ray sources is the limitation on the allowable specific loads on the target, the excess of which leads to its thermal destruction.

Известен источник рентгеновского излучения, в котором мишень выполнена в виде вращающего анода, что обеспечивает неразрушающий температурный режим ее работы /патент РФ 2195739/.A known source of x-ray radiation, in which the target is made in the form of a rotating anode, which provides non-destructive temperature conditions for its operation / RF patent 2195739 /.

Недостатками этого технического решения являются сложность конструкции и ненадежность в эксплуатации.The disadvantages of this technical solution are the design complexity and unreliability in operation.

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.The closest technical solution is an X-ray source, including an electron beam generator, a target of a material with a large atomic number, located on a carbon substrate / RF patent 2046558 /. This solution made it possible to double the average density of the power released in it, raising it to 50 W / cm ² .

Недостатком этого технического решения является сохраняющиеся ограничения по допустимой плотности мощности электронного потока на мишень источника.The disadvantage of this technical solution is the remaining restrictions on the allowable power density of the electron beam to the source target.

Задачей изобретения является устранение указанного выше недостатка.The objective of the invention is to remedy the above drawback.

Техническим результатом предложенного технического решения является повышение допустимых плотностей мощности электронного потока на мишень источника рентгеновского излучения, в частности на анод рентгеновских трубок.The technical result of the proposed technical solution is to increase the allowable power densities of the electron beam to the target of the x-ray source, in particular to the anode of the x-ray tubes.

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.This problem is solved, and the technical effect is achieved due to the fact that in the x-ray source, which includes an electron beam generator and a target for generating x-ray radiation from the region of interaction of the target with the electron beam, placed on the substrate to remove heat generated in the target, between the target and the substrate an additional diamond plate with a thickness greater than the minimum size of the interaction region of the electron beam with the target surface by a factor of 1 / e is introduced, where e is 2.71 (exponent) having thermal a contact with the target and the substrate, while the target and the substrate are electrically connected.

Алмазная пластина выполнена из CVD-алмаза.The diamond plate is made of CVD diamond.

Подложка имеет систему принудительного охлаждения, в частности водяного.The substrate has a forced cooling system, in particular water.

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.In FIG. Figure 1 shows the time dependences of the temperature of the target surface in the region of its interaction with the electron beam for different designs of the target and substrate at different flux densities.

На фиг. 2 схематично показана работа источника рентгеновского излучения в импульсном режиме.In FIG. 2 schematically shows the operation of the x-ray source in a pulsed mode.

На фиг. 3 схематично показаны мишень и подложка источника рентгеновского излучения, работающих в непрерывном режиме.In FIG. 3 schematically shows the target and the substrate of an x-ray source operating in a continuous mode.

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»).In the course of the calculations, it was found that on a target and a massive substrate made of molybdenum, the temperature of the target surface is 600 ° C in the region of interaction of electrons with the surface (strip 3 mm long, 0.3 mm wide) in 1 second is achieved at a power density q = 17 kW / cm ² (Fig. 1, curve "a"), and with a substrate made of copper, at q = 26 kW / cm ² (Fig. 1, curve "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»).With the introduction of a 10 × 10 mm square diamond plate with a thickness of 1 mm between the target and the copper substrate, the same temperature was reached at the same time at a power density of 60 kW / cm ² (Fig. 1, curve “c”).

Таким образом, применение алмазной пластины в электроде рентгеновского излучения повышает допустимые удельные нагрузки в 2,5-4 раза при том же температурном режиме.Thus, the use of a diamond plate in an X-ray electrode increases the allowable specific loads by 2.5–4 times at the same temperature conditions.

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.The calculations also showed that a diamond plate begins to efficiently remove heat when its thickness exceeds the minimum size of the region of interaction of electrons with the target surface (the width of the electron beam on the target surface) by a factor of 1 / e, where e is 2.71 is the exponent and the size of the plate in the direction of the beam width exceeds it several times. A further increase in plate size has little effect on the temperature regime.

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/.The calculations were carried out on the Ansys program, the thermophysical characteristics of molybdenum and copper were taken according to / Physical quantities: Reference book / A.P. Babichev, N.A. Babushkina, A.M. Bratkovsky et al. / Ed. I.S. Grigoryeva, E.Z. Meilikhova. - M .: Energoatomizdat, 1991. - 1232 p. /, And the temperature dependence of the thermal conductivity of diamond was taken according to / Ivakin E.V., Sukhodolov A.V., Ralchenko V.G. et al. Measurement of the thermal conductivity of polycrystalline CVD diamond by the method of pulsed dynamic lattices. Quantum Electronics, 32, No. 4 (2002), p. 367-372 /.

Полученное увеличение удельных тепловых нагрузок при использовании алмазной пластины объясняется высокой теплопроводностью алмаза, позволяющей распределить поток тепла на большую площадь подложки.The resulting increase in specific thermal loads when using a diamond plate is explained by the high thermal conductivity of diamond, which allows to distribute the heat flux over a large area of the substrate.

Работа источника рентгеновского излучения в импульсном режиме пояснена на фиг. 2.The operation of the x-ray source in pulsed mode is illustrated in FIG. 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.A narrow high-energy electron beam 1, formed by its generator 2, for example, an electron gun, falls onto the electrode surface, completely braking in the target 3, made of a refractory material, such as molybdenum, with a thickness of ten microns, sufficient to absorb electrons with an energy of up to 50 keV / Kovalenko V.F. Thermophysical processes and electrovacuum devices. M .; Owls Radio. 1975, 216 pp. /. Braking in the target, the electrons excite the electrons of the inner shells of the molybdenum atoms, forcing them to radiate in the x-ray range of the spectrum. Part of the energy of the electron beam is converted into heat by heating the target. Due to the fineness of the target, ten microns, the heat released in the local region of the target is immediately transferred to the diamond plate 4 and efficiently propagates along the plate due to the high thermal conductivity of the diamond. As a result, heat is transferred from the entire diamond plate 4 to the substrate 5, made for example of copper, i.e. the heat flux passes through a large area of the substrate 5, in comparison with the prototype, which leads to a decrease in specific heat loads. This allows you to either lower the target temperature at a fixed heat load, or increase the load at a fixed target temperature. The target 3 and the substrate 5 are electrically connected to each other through contact 6.

Таким образом, введение алмазной пластины между мишенью и подложкой повышает допустимую плотность мощности электронного потока, не меняя температурного режима работы анода.Thus, the introduction of a diamond plate between the target and the substrate increases the allowable power density of the electron flow without changing the temperature regime of the anode.

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.The use of a CVD diamond diamond plate will expand the functionality of the invention, for example, allowing heat to be removed in an x-ray source operating with several electron beams simultaneously, since the CVD diamond plate dimensions are up to 100 × 100 mm.

Конструкция мишени с подложкой и алмазной пластины между ними, работающих в непрерывном режиме, пояснена на фиг. 3.The design of the target with the substrate and the diamond plate between them, operating continuously, is illustrated in FIG. 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.To operate the x-ray source in continuous mode, the substrate 5 is supplemented with a forced cooling system, for example, channels 7 are made in it for forced pumping of water through them.

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).Thus, the proposed technical solution allows to increase the allowable power density of the electron beam without changing the temperature regime of the target, which increases the intensity of the x-ray radiation and / or the operating time of the x-ray source, in particular the x-ray tube in its generation mode (exposure time).

Кроме того, дополнительное применение принудительного водяного охлаждения позволяет реализовать непрерывный режим генерации рентгеновского излучения.In addition, the additional use of forced water cooling allows for the continuous generation of x-rays.

Claims

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.1. An x-ray source, including an electron beam generator and a target for generating x-ray radiation from the region of interaction of the target with the electron beam, placed on a substrate for removing heat released from the target, characterized in that a diamond plate is inserted between the target and the substrate with a thickness greater than the minimum size of the region the interaction of electrons with the target surface is 1 / e times, where e is 2.71, which has thermal contact with the target and the substrate, while the target and the substrate are electrically connected.

2. Источник рентгеновского излучения по п. 1, отличающийся тем, что алмазная пластина выполнена из CVD-алмаза.2. The x-ray source according to claim 1, characterized in that the diamond plate is made of CVD diamond.

3. Источник рентгеновского излучения по п. 1, отличающийся тем, что подложка имеет систему принудительного охлаждения.3. The x-ray source according to claim 1, characterized in that the substrate has a forced cooling system.

4. Источник рентгеновского излучения по п. 3, отличающийся тем, что система принудительного охлаждения работает на воде. 4. The x-ray source according to claim 3, characterized in that the forced cooling system operates on water.