CC BY
53
УДК 537.533.2
П. А. Ерошкин, Е. П. Шешин
Московский физико-технический институт (государственный университет)
Электронная пушка для рентгеновской трубки с автоэмиссионным катодом
Предложена конструкция электронной пушки с автоэмиссионным катодом на основе остеклованного пучка полиакрилонитрильных углеродных волокон для рентгеновской трубки. Проведено моделирование электронной системы и выявлены оптимальные параметры конструкции.
Ключевые слова: рентгеновская трубка, автоэлектронная эмиссия, углеродные материалы.
1. Введение
В настоящее время рентгеновские трубки нашли применение в широком спектре областей человеческой деятельности. Рентгеновскими методами исследуют химический состав веществ, структуру кристаллических материалов и влияние на их свойства факторов внешней среды, динамику быстроиротекающих в непрозрачных средах процессов [1, 2], измеряют малые высоты и расстояния, толщину покрытий и листового проката в процессе производства, плотность материалов [3, 4, 5], осуществляют неразрушающий контроль качества промышленных изделий, диагностику качества семян [6, 7, 8] и многое другое. Рентгеновское излучение используется для изменения свойств полимерных материалов [9], а в микроэлектронике методы рентгенолитографии позволяют изготавливать структуры с субмикронными размерами [10]. Важное место рентгеновские методы заняли в медицине — общая диагностика, изучение отдельных органов, травматология, стоматология, терапия и др. [5, 11].
В настоящее время развитие рентгеновских трубок идет по двум основным направлениям: создание приборов широкого назначения и создание специализированных конструкций трубок, предназначенных для решения определенных задач. Например, для растровой рентгеновской топографии кристаллов [12, 13] и для исследования кристаллов методом широко расходящегося пучка [14, 15] необходимы рентгеновские трубки с конструкцией, принципиально отличной от конструкции трубок широкого назначения [16].
Для использования в медицине при внутриполостных облучениях опухолевых тканей и в технике для рентгенографии сложных механизмов и устройств при внутреннем размещении источника излучения известны рентгеновские трубки [17, 18], работающие в статическом режиме. Недостатком этих трубок являются использование в конструкции термокатода и необходимость системы охлаждения.
Миниатюризация источника рентгеновского излучения и расширение области его применения возможны при использовании импульсных рентгеновских трубок с холодным катодом. Известна отпаянная импульсная рентгеновская трубка [19], содержащая вакууми-рованный корпус из стекла, многоострийный автоэмиссионный катод и расположенный напротив него по оси трубки анод, имеющий форму конуса из тяжелого металла. Трубка работает при амплитуде импульса напряжения более 100 кВ длительностью порядка 10 не. К недостаткам, ограничивающим применение такой трубки, относятся сравнительно большие размеры, сложность сборки катода, состоящего из большого количества тонких острий, небольшой срок службы.
2. Материал автоэмиссионного катода
В работе [20] рассматривается влияние параметров источника электронов на характеристики рентгеновской трубки в зависимости от различных типов автоэмиссионных катодов, а также дается сравнение с термокатодами.
Авторы предлагают использовать вместо термокатода один или несколько острийных автоэмиссионных катодов. Однако следует учитывать, что при появлении искрового разряда внутри рентгеновской трубки будет происходить необратимое разрушение острия эмиттера. Поэтому в качестве материалов для автокатодов было решено использовать углеродные волокна [21], как наиболее стабильные и способные к самовосстановлению. Полиакрилонитрильное (ПАН) углеродное волокно имеет высокую устойчивость к процессам деградации эмитирующей поверхности, а значит, длительный срок службы. Этот макроскопический материал технологичен и удобен в обработке, что расширяет область его применения в качестве автокатода [22], а также делает выгодным производство приборов [23, 24] в коммерческих целях.
Однако изготовление катодов из одиночных углеродных волокон представляет значительные трудности в связи с малым поперечным размером волокна (0 ~ 7 мкм). Поэтому обычно используют пучки углеродных волокон, а наиболее перспективным методом их крепления является оетекловка (рис. 1). Для стеклования нити из углеродного волокна используется вертикальный станок для протяжки стеклянных капилляров.
Рис. 1. Изображения пучка остеклованных углеродных волокон
При изготовлении катодов таким образом можно получить центрированное и ориентированное вдоль оси электронной пушки углеродное волокно. При этом стеклование пучка волокон позволяет повысить вибрационную стойкость автоэмисеионного катода, а также устранить механическую нагрузку на сами волокна. В [25] показано, что наработка катодов на основе пучка ПАН-волокон в техническом вакууме составляет 7.5 ■ 103 ч при токе 50 мкА.
3. Схема электронной пушки
На начальных этапах работы по созданию рентгеновской трубки с автоэмиссионным катодом определились некоторые ее основные рабочие параметры, такие как размеры (диаметр 1 см, длина 3 см), ускоряющее напряжение (30 кВ), диапазон управляющих напряжений (0 2 кВ). В данной конструкции управляющий электрод (модулятор) не служит препятствием для пучка электронов, поэтому практически все электроны попадают на катод, что позволяет понизить токоперехват модулятором, а значит, повысить КПД прибора.
При проведении эмиссионных испытаний использовался круглый катодолюминесцент-ный анод диаметром 3 см, который располагался на расстоянии 1 см от эмитирующего конца катода перпендикулярно его оси. Все измерения проводились в вакуумной камере, во время эксперимента давление в системе поддерживалось на уровне 10 6 Topp.
Для определения эмиссионных свойств и отработки технологии изготовления предложенной электронной пушки было произведено более 50 ее образцов. Для них были измерены вольт-амперные характеристики [26, 27] (рис. 3).
Рис. 2. Модель электронной пушки с автоэмиссионным катодом
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики для разных значений ускоряющего напряжения
Рис. 4. Траектории полета электронов, эмитированных автоэмиссионным катодом
Для создания эффективной ренттеновской трубки необходимо иметь электронную пушку, способную выдавать высокий ток автоэмиссии при небольших управляющих напряжениях. В связи с этим было выполнено моделирование параметров работы автоэмисеионного катода в диодном режиме и конструкции рентгеновской трубки.
При моделировании работы автоэмисеионного катода было учтено, что расстояние от эмиттера до анода будет составлять 1 см, анод заземлен, на катоде потенциал -30 кВ. Результаты расчетов представлены на рис. 4.
Видно, что электроны имеют большой угол разлета, а значит, есть вероятность их попадания на боковые стенки рентгеновской трубки, за счет чего на них будет скапливаться отрицательный заряд. Это приведет к перераспределению электрического ноля внутри рентгеновской трубки, а значит, к неконтролируемому изменению параметров ее работы. Помимо этого, при накоплении значительного заряда на боковых стенках возможно возникновение электрических пробоев, которые ко всему прочему будут влиять на давление остаточных газов внутри вакуумного объема трубки.
Рис. 5. Траектории полота электронов при наличии защиты боковых стенок трубки
Для устранения этого эффекта необходимо закрывать боковые стенки трубки, для чего предлагается использовать металлический цилиндр, который имеет тот же потенциал, что и анод (рис. 5).
Как видно из рисунка, в такой конструкции эмитированные электроны имеют широкий угол разлета и попадают на всю площадь анода. А для рентгеновской трубки необходимо иметь фокусное пятно малого размера. Это говорит о необходимости создания фокусирующей системы, способной собрать разлетающиеся электроны.
К тому же для рентгеновской трубки необходимо иметь ускоряющее напряжение 30 кВ, а автоэлектронная эмиссия начинается уже при незначительных ускоряющих напряжениях (4 5 кВ). Поэтому для управления прибором необходимо использовать третий электрод модулятор. Ранее хорошо зарекомендовала себя конструкция, в которой эмиттер выступает из модулятора на 100 200 мкм (рис. 6). Однако она использовалась при ускоряющих напряжениях порядка 10 кВ, и модулятор играл роль вытягивающего электрода (он имел больший потенциал, чем катод, и усиливал приложенное поле). Но в нашем случае ускоряющее напряжение достаточно высокое для получения автоэмиссионншх) тока, и модулятор, наоборот, должен закрывать катод, то есть должен иметь отрицательный относительно катода потенциал.
Как видно из рисунка, такая конструкция позволяет уменьшить размер фокусного пятна. Однако при ее использовании управляющее напряжение все равно остается слишком
высоким (10 15 кВ). Чтобы его снизить, была предложена конструкция, в которой эмиттер утоплен в модулятор (рис. 7). За счет этого эмиттер оказывается лучше экранирован от внешних) ноля, а значит, и снижается необходимое управляющее напряжение.
Рис. 6. Траектория электронного пучка в конструкции с вынесенным эмиттером
Рис. 7. Траектория электронного пучка в конструкции с вынесенным модулятором
Согласно расчетам, полученная конструкция управляется напряжением 0 2 кВ, имеет ускоряющее напряжение 30 кВ и размер фокусного пятна составляет 2 мм.
Для проведения эксперимента был собран макет рентгеновской трубки, соответствующий заявленной конструкции (рис. 8). Вместо мишени из бериллиевой фольги установлено стекло с нанесенными на него катодолюминофором и алюминиевым покрытием. Использовалась схема электронной пушки с вынесенным модулятором.
Сначала была проведена тренировка катода в течение 10 часов, для чего на анод подавалось высокое положительное напряжение величиной до 30 кВ. Модулятор был заземлен. Катод был заземлен через балластное сопротивление 10 МОм. Полученная после тренировки вольт-амперная характеристика представлена на рис. 9.
После тренировки проведена серия экспериментов но изучению АСХ полученной конструкции рентгеновской трубки. В них на анод подавалось положительное напряжение величиной 28 32 кВ (пять характеристик с шаххш 1 кВ), модулятор был заземлен, а напряжение катода варьировалось в диапазоне 0 1,6 кВ. Полученные АСХ представлены на рис. 10.
Из этой характеристики видно, что при ускоряющем напряжении 30 кВ данная конструкция рентгеновской трубки позволяет получать автоэмиссионный ток до 100 мкА при управляющем напряжении в пределах 0 1,5 кВ.
Рис. 8. Конструкция рентгеновской трубки
Рис. 9. Вольт-амперная характеристика рентгеновской трубки
0,0 0,2 0.4 0.6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
и (кУ)
Рис. 10. АСХ рентгеновской трубки в конструкции с вынесенным модулятором при ускоряющем напряжении 28. 30 и 32 кВ
5. Заключение
Разработана эффективная электронно-оптическая система с автоэмиссионным катодом на основе полиакрилонитрильных углеродных волокон, которая может быть использована в рентгеновской трубке.
Благодаря использованию автоэмиссионного катода, разработанная электронная пушка не имеет греющихся частей и способна работать в широком диапазоне окружающих температур (эксперименты проводились от -200 до +150 °С). Скорость ее включения/выключения составляет менее 0.2 мс, а срок службы более 10 000 ч. Сочетание всех этих факторов делает возможным ее использование в промышленных приборах.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, государственный контракт № 14.513.11.0133.
Литература
1. Комяк H.H. Рентгеновская аналитическая аппаратура и перспективы ее развития // Изв. Л ЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина). — 1979. — Вып. 246. — С. 5-11.
2. Месяц Г.А., Иванов С.А., Комяк H.H., Пеликс Е.А. Мощные наносекундные импульсы рентгеновского излучения. — М. : Энергоатомиздат, 1983. — 165 с.
3. Нрчиков Ф.Л. Управляемое импульсное рентгеновское излучение в приборостроении.
- М. : Энергоатомиздат, 1987. — 87 с.
4. Грумбков А.П., Купцов В.П., Кочетков Е.В. \и др.]. Лабораторный импульсный рентгеновский анализатор ЛИРА - Аппаратура и методы рентгеновского анализа. Вып. 30.
- Л. : Машиностроение, 1983. — С. 123-127.
5. Рентгенотехника: справочник в 2-х книгах / под ред. В.В. Клюева. — М. : Машиностроение. — 1980. — Кн. 1. — 431 е.; Кн. 2. — 383 с.
6. Соснин Ф.Р. // Дефектоскопия. — 1985. — № 4. — С. 37-47.
7. Румянцев C.B. Радиационная дефектоскопия. — М. : Атомпздат, 1974. — 510 с.
8. Андрющенко А.Г., Архипов М.В., Грун Л.Б. \и, др.] // Электронная промышленность.
- 1983. - Вып. 11. - С. 31-34.
9. Чепель Л.В. Применение ускорителей электронов в радиационной химии. - М. : Атомиздат, 1975.
10. Технология СБИС / под ред. С. Зи. — М.: Мир, 1986. — Кн. 1. — 393 с.
11. Рентгенодиагностические аппараты / под ред. H.H. Блинова — М. : Медицина, 1976. _ 240 с.
12. Беляев Б.Ф. / Электронная техника. Сер. 4. — 1981. — Вып. 1. — С. 38-41.
13. Иванов С.А., Комяк Н.И., Мазуров А.И. Рентгенотелевизионные методы исследования микроструктур. — Л. : Машиностроение, 1983. — 132 с.
14. Аристов В.В., Шекман В.М., Шмытько И.М. Особенности оптической схемы расходящегося пучка: репринт ИФТТ АН СССР. — 1975. — 31 с.
15. Ум,омский Л.С., Скаков Ю.А., Иванов А.И., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопии. — М. : Металлургия. — 1982. — 632 с.
16. Бы,cm,ров Ю.А., Ива,нов С.А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы. — М. : ВШ, 1983. - 288 с.
17. Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. — М. : ГИТТЛ, 1957. — 518 с.
18. Иверонова В.И., Ревкевич Г.П. Теория рассеяния рентгеновских лучей. — М. : МГУ, 1729. - 277 с.
19. Мишет А. Оптика мягкого рентгеновского излучения. - М. : Мир, 1989. — 351 с.
20. Егоров В.К., Егоров Е.В. Поверхность. Рентгеновские синхротронные и нейтронные исследования. — 2005. — JV» 2. — С. 5-16.
21. Knapp W., Schleussner D., Bjeoumikhov S., Wolff Н., Langhoff R. Vacuum Electron Sources Conference. - 2004. - P. 309-311.
22. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов — М. : Изд. МФТИ, 2001.
23. Baturin A.S., Eskin I.N., Trufanov A.I [et al.}. Electron gun with field emission cathode of carbon fiber bundle // Journal of Vacuum Science and Technology. — 2003. — V. B21, N 1. - P. 354-357.
24. Baturin A.S., Leshukov M.Yu et al. Characterizations of light sources with carbon fiber cathodes 11 Applied Surface Science. - 2003. - V. 215. - P. 260-264.
25. Бондаренко Б.В., Макуха В.И., Шешин Е.П. Стабильность и долговечность некоторых вариантов автокатодов // Радиотехника и электроника. — 1983. — Т. XXVIII. № 8. — С. 1649-1652.
26. Елинсон М.И., Васильев Е.Ф. Автоэлектронная эмиссия. — М. : Физмат, 1958.
27. Nordheim L.W. // Proc. Roy. Soc. - 1928. - V. Л121. - P. 626.
Поступила в редакцию 29.10.2013.
