ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МИШЕНЬЮ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001 ] Изобретение относится к мощным высокояркостным источникам рентгеновского излучения с жидкометаллической мишенью и способу генерации рентгеновского излучения, основанному на торможении электронов.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Рентгеновские источники высокой интенсивности применяются в таких областях, как микроскопия, материаловедение, биомедицинская и медицинская диагностика, испытание материалов, анализ кристаллов и наноструктур, атомная физика. Они служат основой аналитической базы современного высокотехнологичного производства и одним из основных инструментов при разработке новых материалов и изделий на их основе.

[0003] Для реализации методов рентгеновской диагностики требуются компактные мощные источники рентгеновского излучения высокой яркости, характеризующиеся надежностью и большим временем жизни.

[0004] В соответствии с одним из подходов, известном из патента РФ 2068210, опубликованного 20 октября 1996, рентгеновский источник основан на торможении ускоренного электронного пучка в фокусе на вращающемся аноде. Направление пучка электронов близко к направлению центробежной силы, действующей на аноде в фокусе. При этом температуру в фокусе поддерживают выше температуры плавления материала анода. Указанные устройство и способ направлены на повышение мощности и яркости источника рентгеновского излучения.

[0005] Однако в качестве жидкометаллической мишени используется материал самого вращающегося анода, который застывает при выходе из фокуса электронного пучка. В результате воздействия на расплав различных сил, в том числе, силы тяжести и силы поверхностного натяжения, форма поверхности вращающегося анода в области фокусной дорожки достаточно быстро претерпевает изменения, что резко ограничивает ресурс рентгеновского источника.

[0006] Этого недостатка лишен известный из патента US 6185277, опубликованного 6 февраля 2001 , способ генерации рентгеновского излучения, включающий в себя электронную бомбардировку жидкометаллической мишени через тонкое окно замкнутого контура, по которому циркулирует жидкий металл. Способ и устройство для генерации рентгеновского излучения 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 В, 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.)

[0007] Однако, система циркуляции с МГД- насосом, который должен обеспечивать напор более 50 атм. и скорость мишени 40 м/с, а также тонкое, толщиной несколько микрон, предпочтительно алмазное окно замкнутого контура усложняют устройство. Кроме этого, тонкое окно, через которое осуществляется электронная бомбардировка, подвержено механическим, тепловым и радиационным нагрузкам, что ограничивает применение высоких плотностей тока электронного пучка на мишени и достижение высокой яркости источника рентгеновского излучения.

[0008] В значительной степени этого недостатка лишены известные из патентной заявки US 20020015473, опубликованной 7 февраля 2002, способ и устройство для генерации рентгеновского излучения с использованием жидкометаллической анодной мишени в виде струи.

[0009] Рентгеновские 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 рентгеновские источники с твердым вращающимся анодом, известные, например, из патента US 7697665, опубликованного 13 апреля 2010, в которых жидкий металл используется для теплопередачи и в качестве гидродинамического подшипника.

[0010] 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 рентгеновского окна. Основными источниками загрязнений являются сопло и улавливатель жидкометаллической струи, из области которых распространяется туман из микро капель материала мишени. В результате, как правило, мощность источника излучения уменьшается тем быстрее, чем больше мощность электронного пучка.

[001 1 ] Частично этого недостатка лишен высокояркостный источник рентгеновского излучения, известный из патента US 8681943, опубликованного 25.03.2014, в котором пучок рентгеновского излучения, создаваемого в результате электронной бомбардировки струйной жидкометаллической мишени, выходит из вакуумной камеры через рентгеновское окно. В качестве материала мишени предпочтительно используют металл с низкой температурой плавления, такой как индий, олово, галлий, свинец или висмут или их сплав. Рентгеновское окно, предпочтительно выполненное из бериллиевой фольги, снабжено защитным пленочным элементом с системой его испарительной очистки. Это решение позволяет увеличить интервалы между сервисным обслуживанием источника рентгеновского излучения для смены выходного окна.

[0012] Однако требуемые для испарительной очистки температуры высоки, например, для испарения Ga и In они составляют около 1000 °С и более, что значительно усложняет устройство.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Техническая проблема, которая должна быть решена с помощью изобретения, относится к созданию свободных от указанных недостатков источников рентгеновского излучения высокой мощности и яркости с глубоким подавлением потока загрязняющих частиц из зоны взаимодействия электронного пучка с мишенью.

[0014] Достижение этих целей возможно с помощью рентгеновского источника, содержащего вакуумную камеру с рентгеновским окном для выхода пучка рентгеновского излучения, генерируемого в зоне взаимодействия электронного пучка с мишенью, которое также может быть обозначено как фокусное пятно электронного пучка на жидкометаллической мишени.

[001 5] Устройство характеризуется тем, что мишень представляет собой кольцевой слой расплавленного легкоплавкого металла, расположенный в кольцевом желобе, выполненном во вращающемся анодном узле, причем кольцевой желоб имеет профиль поверхности, предотвращающий выброс материала мишени в радиальном направлении и в обоих направлениях вдоль оси вращения вращающегося анодного узла.

[001 6] Предпочтительно слой расплавленного металла образован центробежной силой на поверхности кольцевого желоба, обращенной к оси вращения.

[001 7] Предпочтительно, что из-за действия центробежной силы мишень имеет кругло- цилиндрическую поверхность с осью симметрии, совпадающей с осью вращения, либо поверхность мишени незначительно отличается от указанной формы поверхности.

[001 8] Предпочтительно часть вращающегося анодного узла выполнена в виде диска с периферийной частью в форме кольцевого барьера, и кольцевой желоб выполнен на поверхности кольцевого барьера, обращенной к оси вращения.

[001 9] Предпочтительно расплавленный легкоплавкий металл содержит Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и / или их сплавы.

[0020] Предпочтительно температура мишени ниже, чем температура плавления материала желоба.

[0021 ] В варианте осуществления изобретения дополнительно введена система индукционного нагрева для стартового плавления материала мишени .

[0022] Предпочтительно линейная скорость жидкометаллической мишени составляет более 80 м/с. [0023] В варианте осуществления изобретения дополнительно введена мембрана из углеродных нанотрубок, УНТ, которая установлена в вакуумной камере на пути прохождения рентгеновского пучка.

[0024] В варианте осуществления изобретения УНТ-мембрана имеет покрытие со стороны, находящейся вне области прямой видимости зоны взаимодействия.

[0025] В варианте реализации изобретения введен узел замены УНТ-мембраны, при которой не требуется разгерметизация вакуумной камеры.

[0026] В варианте реализации изобретения введен защитный экран, который неподвижно установлен, окружая зону взаимодействия, причем указанный экран содержит первое отверстие для входа электронного пучка и второе отверстие для выхода рентгеновского пучка.

[0027] Предпочтительно щелевые зазоры отделяют защитный экран от вращающегося анодного узла.

[0028] В варианте реализации изобретения защитный экран расположен напротив углового сектора мишени вблизи зоны взаимодействия.

[0029] В другом варианте защитный экран является круговым.

[0030] Предпочтительно вращающийся анодный узел снабжен системой жидкостного охлаждения.

[0031 ] В варианте реализации изобретения размер зоны взаимодействия или фокусного пятна электронного пучка на мишени составляет менее 50 мкм.

[0032] В варианте реализации изобретения ось вращения вращающегося анодного узла может иметь любое направление.

[0033] В другом аспекте изобретение относится к способу генерации рентгеновского излучения, включающему электронную бомбардировку мишени на поверхности вращающегося анодного узла и вывод рентгеновского пучка, генерируемого в зоне взаимодействия электронного пучка с мишенью, через рентгеновское окно вакуумной камеры.

[0034] Способ генерации рентгеновского излучения характеризуется тем, что под действием центробежной силы формируют мишень в виде кольцевого слоя расплавленного легкоплавкого металла на поверхности кольцевого желоба, выполненного во вращающемся анодном узле, и предотвращают выброс расплавленного легкоплавкого металла в радиальном направлении и в обоих направлениях вдоль оси вращения за счет выбранного профиля поверхности кольцевого желоба.

[0035] Предпочтительно вращают жидкометаллическую мишень с линейной скоростью более 80 м/с.

[0036] В вариантах реализации изобретения защищают рентгеновское окно от загрязнений, генерируемых наряду с рентгеновским излучением в зоне взаимодействия, посредством УНТ- мембраны, установленной перед рентгеновским окном, и при необходимости производят замену УНТ-мембраны.

[0037] В вариантах реализации изобретения защитный экран неподвижно установлен, окружая зону взаимодействия, защитный экран содержит первое отверстие для входа электронного пучка (5) и второе отверстие (28) для выхода рентгеновского пучка (3), при этом поток загрязняющих частиц из зоны взаимодействия ограничивают апертурами двух указанных отверстий.

[0038] Предпочтительно вращающийся анодный узел охлаждают с помощью системы жидкостного охлаждения.

[0039] В вариантах реализации изобретения в случаях замедления или остановки вращающегося анодного узла предварительно прекращают электронную бомбардировку мишени и охлаждают ее до твердого состояния.

[0040] В вариантах реализации изобретения стартовое расплавление мишени осуществляют путем электронной бомбардировки и / или индуктивным нагревом.

[0041 ] Техническим результатом изобретения является упрощение системы формирования жидкометаллической мишени, обеспечение возможностей использования электронных пучков большей мощности за счет повышения скорости мишени в зоне взаимодействия, оптимизации материала мишени, устранение загрязнений выходного окна, реализация на этой основе возможностей повышения яркости, срока службы и удобства эксплуатации мощных источников рентгеновского излучения для широкого круга применений.

[0042] 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 ЧЕРТЕЖЕЙ

[0043] Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

[0044] Фиг. 1 , Фиг. 2, Фиг. 3 - схемы источника рентгеновского излучения в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.

[0045] На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые ссылочные номера.

[0046] 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.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0047] В варианте реализации настоящего изобретения, схематично представленном на Фиг. 1 , источник рентгеновского излучения содержит вакуумную камеру 1 с рентгеновским окном 2 для выхода пучка рентгеновского излучения 3, генерируемого в зоне взаимодействия 4 электронного пучка 5 с мишенью 6 в результате ее электронной бомбардировки.

[0048] Вакуумная камера 1 может быть снабжена системой вакуумной откачки, либо быть отпаянной.

[0049] Герметичное рентгеновское 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.

[0050] Источник рентгеновского излучения, характеризуется тем, что мишень 6 представляет собой образованный при воздействии центробежной силы кольцевой слой расплавленного металла, расположенный в кольцевом желобе 7, выполненном во вращающемся анодном узле 8 электронной пушки 9. Кольцевой желоб 7 имеет профиль поверхности, предотвращающий выброс материала жидкометаллической мишени 6, находящейся под действием центробежной силы, в радиальном направлении и в обоих направлениях вдоль оси вращения 10.

[0051 ] Вращение анодного узла 8, закрепленного на валу 1 1 со стабилизированной осью вращения 10 производят с помощью электродвигателя, либо другого привода.

[0052] В соответствии с изобретением, благодаря достаточно большой центробежной силе мишень 6 имеет кругло цилиндрическую или близкую к таковой поверхность с осью симметрии, совпадающей с осью вращения 10, Фиг. 1 . При этом объем материала жидкометаллической мишени 6 не больше объема кольцевого желоба 7.

[0053] Для формирования мишени 6 часть вращающегося анодного узла предпочтительно выполнена в виде диска 12, имеющего периферийную часть в форме кольцевого барьера 13 или бортика. При этом кольцевой желоб 7 выполнен на поверхности кольцевого барьера 13, обращенной к оси вращения 10.

[0054] Поверхность желоба 7 может быть образована цилиндрической поверхностью, обращенной к оси вращения 10, и двумя радиальными поверхностями, как показано на Фиг. 1 , не ограничиваясь только этим вариантом.

[0055] Материал желоба имеет температуру плавления выше температуры жидкометаллической мишени, материал которой предпочтительно относится к группе нетоксичных легкоплавких металлов, включающей себя Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и/или их сплавы. Предпочтительными являются металлы и их сплавы с низким давлением паров, например, Ga и Sn и их сплавы.

[0056] 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 С, 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 °С и температуру замерзания около 16 °С.

[0057] 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/ln с температурой плавления 125 °С, сплав содержащий 66 % In и 34% Bi, имеющий температуру плавления и замерзания около 72 °С, не ограничиваясь только ими.

[0058] Для повышения выхода рентгеновского излучения предпочтительно использование материала мишени с высоким атомным номером, например, сплавов на основе свинца.

[0059] В целом, предложенная конструкция вращающегося анодного узла определяет широкий диапазон возможностей оптимизации материала мишени.

[0060] Для перевода материала мишени в расплавленное состояние рентгеновский источник излучения может быть снабжен компактной системой индукционного нагрева 14 для стартового плавления материала мишени. Система индукционного нагрева 14 может быть выполнена с возможностью стабилизации температуры материала мишени в заданном оптимальном диапазоне температур.

[0061 ] Привод вращения может быть выполнен в виде электродвигателя с размещенным в вакуумной камере 1 цилиндрическим ротором 15 с валом вращения 1 1 и статором 16, расположенным снаружи вакуумной камеры 1 .

[0062] В других вариантах реализации изобретения привод вращения может быть в виде магнитной муфты с наружной ведущей полумуфтой и ведомой внутренней полумуфтой.

[0063] 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.

[0064] В частном варианте реализации изобретения, Фиг. 1 , вращающийся анодный узел 8 с ротором 15 поддерживается с помощью жидкометаллического гидродинамического подшипника. Указанный подшипник включает в себя неподвижный вал 17 и слой жидкого металла 18, например, галлия или его сплава, такого, например, как галлий-индий-олово (GalnSn), характеризующегося малой вязкостью и низкой температурой плавления.

[0065] 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 1 1 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.

[0066] Гидродинамический подшипник с жидким металлом может выдерживать очень высокие температуры, не загрязняя вакуум. Большая поверхность контакта подшипника и жидкометаллическая смазка обеспечивают высокоэффективный отвод тепла от вращающегося анодного узла 8 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 .

[0067] В соответствии с этим, в предпочтительных вариантах реализации изобретения вращающийся анодный узел 8 снабжен системой жидкостного охлаждения 20.

[0068] В варианте осуществления, представленном на Фиг. 1 , слой жидкого металла 18 служит в качестве скользящего электрического контакта между вращающимся анодным узлом 8 и блоком питания 23 электронной пушки, а также для передачи тепла от вращающейся мишени 6 к жидкому теплоносителю 20.

[0069] В других вариантах реализации изобретения жидкий теплоноситель 20 может подаваться непосредственно во вращающийся анодный узел 8. Для герметизации вращающихся частей могут использоваться магнитожидкостные уплотнения и/или скользящие манжеты. Для опоры вращающегося анодного узла могут использоваться различные виды подшипников качения.

[0070] 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 микро капель 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 с жидкометаллической мишенью. Реализуется возможность его эксплуатации без дополнительных средств подавления загрязнений.

[0071 ] Тем не менее, во время длительной эксплуатации источника рентгеновского излучения с жидкометаллической мишенью прозрачность рентгеновского 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 могут дополнительно использоваться средства подавления загрязнений и защиты рентгеновского окна 2 от них.

[0072] На Фиг. 2 схематично показан вариант реализации источника рентгеновского излучения, в вакуумной камере 1 которого на пути прохождения рентгеновского пучка 3 установлена мембрана 24 из углеродных нанотрубок, УНТ- мембрана. [0073] УНТ- мембрана 24 представляет собой оптический элемент предпочтительно 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.

[0074] 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 зоны взаимодействия 4 и меньше подверженной воздействию загрязнений. При этом УНТ - мембрана 24 предпочтительно установлена вплотную к рентгеновскому окну 2, обеспечивая полную защиту от загрязнений, как рентгеновского окна, так и обращенной к нему стороны УНТ - мембраны 24.

[0075] Обладающая хорошей электропроводностью УНТ - мембрана 24 предпочтительно заземлена для снятия с нее электростатического заряда, что уменьшает осаждение на нее загрязнений.

[0076] 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.

[0077] Следует отметить, что для большого срока службы УНТ - мембраны линейная скорость мишени должна быть достаточно высока, более 20 м/с, предпочтительно более 80 м/с, чтобы микрокапельная фракция загрязняющих частиц была направлена преимущественно тангенциально, а не в сторону УНТ - мембраны.

[0078] На Фиг. 2 ось вращения 10 перпендикулярна плоскости чертежа. Вращающийся анодный узел 8 с мишенью 6 электрически соединен с блоком питания 23 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.

[0079] На Фиг. 3 схематично показан вариант реализации рентгеновского источника, в котором для дополнительного подавления выхода загрязняющих частиц за пределы вращающегося анодного узла введен защитный экран 27, который неподвижно установлен в непосредственной близости зоны взаимодействия 4. В защитном экране в выполнены первое отверстие 28 для прохождения электронного пучка 5 к мишени 6 и второе отверстие 29 для прохождения пучка рентгеновского излучения 3 от зоны взаимодействия 4 к рентгеновскому окну 2.

[0080] При наличии защитного экрана 27 достигается сильное подавление потока загрязняющих частиц из зоны взаимодействия электронного пучка с мишенью. Для более глубокого подавления загрязнений экран 12 отделен от вращающегося анодного узла 8 щелевыми зазорами. В этом случае зона взаимодействия расположена в практически замкнутой полости, образованной поверхностями желоба 7 и защитного экрана 27. Из указанной полости выход загрязняющих частиц (паров, ионов, кластеров, микро капель материала мишени), генерируемых наряду с рентгеновским излучением в зоне взаимодействия 3, возможен лишь через два небольших отверстия 28, 29, что обеспечивает низкий уровень загрязнений в рентгеновском источнике излучения.

[0081 ] В соответствии с вариантом реализации изобретения, показанном на Фиг. 3, защитный экран 12 расположен напротив углового сектора мишени 3 около зоны взаимодействия 4 и по торцам отделен от мишени щелевыми зазорами.

[0082] В другом варианте защитный экран 27 может быть круговым, окружая или закрывая кольцевую мишень 6 по всему ее периметру.

[0083] Первое и второе отверстия 28, 29 в экране 27 могут быть выполнены конусными, что позволяет минимизировать площадь их сечений для более эффективного удержания загрязнений в полости между защитным экраном 27 и кольцевым желобом 7.

[0084] С этой же целью в вариантах реализации изобретения электронный пучок 5 и пучок рентгеновского излучения 3 ориентированы так, что в зоне взаимодействия 4 направление вектора линейной скорости мишени, определяющее направление преимущественного выхода микрокапельной или кластерной фракции загрязнений, существенно отличается от направлений на отверстия 28, 29 в экране 27.

[0085] Источник рентгеновского излучения с жидкометаллической мишенью, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, имеет достоинства современных рентгеновских трубок циклического действия для томографии. Последним присущи высокая, до 100 кВт, рабочая мощность, достигнутая при теплоемкости вращающегося анода около 5 МДж при эффективной площади фокусного пятна менее 1 мм ² .

[0086] 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 на выходе электронной пушки 9, формируется пучок электронов 5 с фокусным пятном на жидкометаллической мишени 6 размером от 50 до 5 мкм. В принципе, могут быть получены фокусные пятна размером менее 1 мкм. Следует отметить, что наличие систем электростатических и/или магнитных линз для микрофокусировки электронного пучка обусловливает увеличение поперечных размеров электронной пушки 9, как схематично показано на Фиг. 3.

[0087] В вариантах осуществления изобретения линейная скорость мишени составляет более 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.

[0088] 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 рентгеновского источника. При этом стабильность поверхности мишени тем выше, чем выше скорость жидкометаллической мишени.

[0089] Предложенная конструкция анодного узла позволяет реализовать частоту его вращения, до 200- 400 оборотов/с. Это обеспечивает возможность достижения значений линейной скоростей жидкометаллической мишени в зоне взаимодействия 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 мощности и яркости.

[0090] Способ генерации рентгеновского излучения реализуют следующим образом.

Откачивают вакуумную камеру 1 безмасляной насосной системой до давления ниже 10 ⁵ -1 0 ⁸ бар. В других вариантах вакуумная камера 1 может быть отпаянной. Осуществляют вращение анодного узла 8, 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 .

[0091 ] Под действием центробежной силы формируют мишень 6 в виде слоя расплавленного металла, относящегося к группе Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и/или их сплавы, на обращенной к оси вращения 10 поверхности кольцевого желоба 7 вращающегося анодного узла 8.

[0092] При необходимости материал мишени предварительно расплавляют с помощью неподвижной системы индукционного нагрева 14.

[0093] Включают блок питания 23 электронной пушки и систему жидкостного охлаждения 20. С помощью блока питания 23 между катодом и анодом, размещенными в электронной пушке 9, прикладывают высокое напряжение, обычно между 40 кВ и 160 кВ. Этим потенциалом напряжения ускоряют излучаемые катодом электроны в направлении вращающегося анодного узла 8.

[0094] Осуществляют электронную бомбардировку жидкометаллической мишени 6 электронным пучком 5, производимым электронной пушкой. В результате электронной бомбардировки в зоне взаимодействия 4 на вращающейся жидкометаллической мишени 6 генерируют рентгеновский пучок 3, выходящий из вакуумной камеры через рентгеновское окно 2.

[0095] Для достижения высокой яркости источника рентгеновского излучения производят электронную бомбардировку жидкометаллической мишени микрофокусной электронной пушкой с размером зоны взаимодействия или фокусного пятна в диапазоне от 50 до 1 мкм. Для получения малых размеров фокусного пятна в катодном модуле 9 электронной пушки используют фокусирующие приспособления в виде электростатических и/или магнитных и электромагнитных линз.

[0096] Для уменьшения гидродинамической и термической нагрузки на поверхность мишени в зоне взаимодействия осуществляют ее вращение с высокой линейной скоростью, более 80 м/с.

[0097] Предпочтительно теплоотвод от вращающегося анодного узла 8 осуществляют с помощью системы жидкостного охлаждения 20. В частном случае реализации изобретения теплоотвод от вращающегося анодного узла к жидкому теплоносителю осуществляют через слой жидкого металла 18 гидродинамического подшипника, Фиг. 1 .

[0098] В вариантах осуществления изобретения теплоотвод может быть радиационным.

[0099] Источник рентгеновского излучения может работать в непрерывном или циклическом режиме. В последнем случае анодный узел 8 после каждого цикла может затормаживаться, что увеличивает срок его службы.

[0100] 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 10 анодного узла 8 и вывод пучка рентгеновского излучения 3 в любом требуемом направлении.

[0101 ] Очередное стартовое расплавление мишени осуществляют путем электронной бомбардировки и / или с помощью системы индукционного нагрева.

[0102] В процессе работы температуру мишени поддерживают ниже температуры плавления материала кольцевого желоба, что обеспечивает долговременную стабильную работу рентгеновского источника.

[0103] При достижении заданного изменения прозрачности УНТ - мембраны осуществляют ее замену с помощью узла замены 25.

[0104] В вариантах реализации способа генерации рентгеновского излучения дополнительно подавляют выход загрязняющих частиц за пределы вращающегося анодного узла с помощью неподвижно установленного вблизи зоны взаимодействия 4 защитного экрана 27. При этом поток загрязняющих частиц из зоны взаимодействия ограничивают апертурами двух указанных отверстий.

[0105] 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 рентгеновского 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.

[0106] Аспекты настоящего изобретения дополнительно описаны в следующих пронумерованных параграфах. Притязания настоящей заявки или любой выделенной заявки могут быть направлены на один или несколько из этих аспектов.

[0107] 1 . Источник рентгеновского излучения, содержащий вакуумную камеру с выходным окном для выхода пучка рентгеновского излучения, генерируемого в фокусном пятне электронного пучка на жидкометаллической мишени, характеризующийся тем, что жидкометаллическая мишень представляет собой слой расплавленного металла, образованный центробежной силой на обращенной к оси вращения поверхности кольцевого желоба вращающегося анодного узла электронной пушки.

[0108] 2. Устройство по параграфу 1 , в котором вращающийся 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.

[0109] 3. Устройство по параграфу 1 или 2, в котором вращающийся анодный узел снабжен системой охлаждения с протоком жидкого теплоносителя.

[01 1 0] 4. Устройство по любому из предыдущих параграфов, в котором материал мишени выбран из легкоплавких металлов, относящихся к группе Sn, Li, In, Ga, Pb, Bi, Zn и их сплавы,

[01 1 1 ] 5. Устройство по любому из предыдущих параграфов, в котором размер фокусного пятна пучка электронов на мишени составляет менее 50 мкм.

[01 12] 6. Устройство по любому из предыдущих параграфов, в котором линейная скорость мишени составляет не менее 80 м/с.

[01 13] 7. Устройство по любому из предыдущих параграфов, в вакуумной камере которого на пути выхода пучка рентгеновского излучения установлена мембрана из углеродных нанотрубок (УНТ- мембрана). [01 14] 8. Устройство по параграфу 7, в котором УНТ- мембрана имеет покрытие со стороны, находящейся вне области прямой видимости фокусного пятна на мишени.

[01 1 5] 9. Устройство по параграфу 7 или 8, в котором введен узел замены УНТ- мембраны, не требующей разгерметизации вакуумной камеры.

[01 1 6] 10. Способ генерации рентгеновского излучения, включающий электронную бомбардировку жидкометаллической мишени, вывод пучка рентгеновского излучения, генерируемого в фокусном пятне электронного пучка на жидкометаллической мишени, через выходное окно вакуумной камеры, 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 сплавы, на обращенной к оси вращения поверхности кольцевого желоба вращающегося анодного узла.

[01 1 7] 1 1 . Способ по параграфу 10, в котором производят электронную бомбардировку жидкометаллической мишени с размером фокусного пятна менее 50 мкм.

[01 1 8] 12. Способ по параграфу 10 или 1 1 , в котором вращают жидкометаллическую мишень с линейной скоростью более 80 м/с.

[01 1 9] 13. Способ по любому из параграфов 1 0-12, в котором вращающийся анодный узел охлаждают протоком жидкого теплоносителя.

[0120] 14. Способ по любому из параграфов 10-13, в котором в случаях замедления или остановки вращения предварительно прекращают электронную бомбардировку жидкометаллической мишени и охлаждают ее до твердого состояния.

[0121 ] 15. Способ по любому из параграфов 10-14, в котором обеспечивают защиту выходного окна от загрязнений с помощью установленной перед ним УНТ- мембраны, и периодически производят замену УНТ мембраны.

[0122] 16. Источник коротковолнового излучения высокой яркости, содержащий вакуумную камеру с вращающимся мишенным узлом, поставляющим в зону взаимодействия мишень в виде слоя расплавленного металла, образованного центробежной силой на обращенной к оси вращения поверхности кольцевого желоба вращающегося мишенного узла, пучок энергии, сфокусированный на мишень в зоне взаимодействия, и средства подавления загрязнений на пути прохождения пучка коротковолнового излучения, характеризующийся тем, что средства подавления загрязнений включают в себя: вращение мишени с высокой, более 20 м/с, линейной скоростью, определяющей направление преимущественного выхода микрокапельной фракции загрязнений из зоны взаимодействия, вывод пучка коротковолнового излучения в направлении, отличном от направления преимущественного выхода микрокапельной фракции загрязнений, сменную мембрану из углеродных нанотрубок (УНТ- мембрану) с высокой, более 50%, прозрачностью в диапазоне длин волн короче 20 нм, установленную в области прямой видимости зоны взаимодействия и полностью перекрывающую апертуру пучка коротковолнового излучения. [0123] 17. Устройство по параграфу 16, в котором пучок энергии представляет собой импульсный лазерный пучок, а коротковолновое излучение генерируется лазерной плазмой материала мишени в экстремальном ультрафиолетовом (ЭУФ) и/или мягком рентгеновском и/или рентгеновском диапазоне.

[0124] 18. Устройство по параграфу 16 или 17, в котором дополнительно используются одно или несколько таких средств подавления загрязнений, как электростатическое и магнитное поля, поток защитного газа, фольговые ловушки.

[0125] 19. Устройство по любому из параграфов 16-18, в котором УНТ- мембрана имеет толщину в диапазоне от 20 до 100 нм.

[0126] 20. Устройство по параграфу 16, в котором УНТ- мембрана служит окном между отсеками вакуумной камеры с высоким и средним вакуумом.

[0127] 21 . Устройство по любому из параграфов 16-20, в котором пучок энергии представляет собой пучок электронов, вращающийся мишенный узел служит вращающимся анодом электронной пушки, а коротковолновое излучение представляет собой рентгеновское излучение, генерируемое при электронной бомбардировке мишени.

[0128] 22. Источник коротковолнового излучения, содержащий вакуумную камеру с вращающимся мишенным узлом, поставляющим мишень в виде слоя расплавленного металла в зону взаимодействия со сфокусированным лазерным пучком, полезный пучок коротковолнового излучения, выходящий из зоны взаимодействия, и средства подавления загрязнений, характеризующийся тем, что вблизи зоны взаимодействия неподвижно установлен экран с первым отверстием для ввода сфокусированного лазерного пучка в зону взаимодействия и вторым отверстием для выхода полезного пучка коротковолнового излучения из зоны взаимодействия.

[0129] 23. Источник излучения по параграфу 22, в котором щелевые зазоры, отделяют экран от вращающегося мишенного узла.

[0130] 24. Источник излучения по параграфу 22 или 23, в котором экран кольцевой.

[0131 ] 25. Источник излучения по любому из параграфов 22-24, в котором, по меньшей мере, одно из двух отверстий, в экране коническое.

[0132] 26. Источник излучения по любому из параграфов 22-25, в котором ось пучка коротковолнового излучения направлена под углом более 45 градусов к плоскости вращения мишенного узла.

[0133] 27. Источник излучения по любому из параграфов 22-26, в котором направление преимущественного выхода потоков, загрязняющих частиц из зоны взаимодействия существенно отличается от направления, по меньшей мере, на одно из двух отверстий, в экране.

[0134] 28. Источник излучения по параграфу 27, в котором вектор линейной скорости мишени в зоне взаимодействия и, по меньшей мере, одно из двух отверстий, расположены по разные стороны от плоскости, проходящей через зону взаимодействия и ось вращения мишенного узла.

[0135] 29. Источник излучения по параграфу 27 или 28, в котором ось, по меньшей мере, одного из двух отверстий, в экране направлена под углом менее 45 градусов к поверхности мишени.

[0136] Таким образом, варианты осуществления изобретения позволяют создавать рентгеновские источники с глубоким подавлением загрязнений, с самой высокой яркостью и мощностью, длительным сроком службы и высоким удобством использования.

[0137] Данное изобретение может быть осуществлено и в виде других конкретных форм без отклонения от его сущности и важнейших характеристик. Описанные варианты осуществления во всех отношениях предназначены исключительно для иллюстративных целей и не являются ограничительными. Таким образом, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения, а не предшествующим описанием. Все изменения, подпадающие под значение и диапазон эквивалентности формулы изобретения, подлежат включению в его объем.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[0138] Предложенные источники излучения предназначены для ряда применений, включающих микроскопию, материаловедение, рентгеновскую диагностику материалов, биомедицинскую и медицинскую диагностику.