CZ32394U1 - Inovovaný zdroj RTG záření s vysokým výkonem - Google Patents

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. ě. 478/1992 Sb.

CZ 32394 UI

Inovovaný zdroj RTG záření s vysokým výkonem

Oblast techniky

Technické řešení se týká zdroje RTG záření s vysokým výkonem (řádově desítky W) pro analytické přístroje včetně RTG spektrometrů, RTG difraktometrů a jiné metrologické aplikace. Vyšší výkon RTG zdroje přináší rozšíření možnosti aplikací.

Dosavadní stav techniky

Běžně používané rentgenové zdroje záření se skládají z elektronového děla neboli katody (zdroje elektronů), anody, a eventuálně fokusační optiky. Pomocí elektronového děla jsou emitovány elektrony. Tyto elektrony po urychlení elektrickým polem, s vysokou intenzitou, dopadají na anodu (neboli terč), kde se jejich kinetická energie přemění na teplo (cca 99%) a malá část energie elektronů (cca 1%) se přemění na emisi rentgenového záření. Vzhledem k množství tepla, které vznikne, je nutné masivní chlazení anodového terče.

Každý zdroj RTG záření je charakterizován několika parametry, které udávají, jakých expozic (neboli jakého zatížení) je z hlediska expozičních parametrů rentgenka schopná a v jaké časové souslednosti mohou být expozice provedeny, což souvisí s odvodem tepla (disipací energie). Každá rentgenka je charakterizována maximálním možným napětím pro urychlení elektronů mezi katodovým vláknem a anodovým terčíkem, a stejně tak maximálním možným proudem. Je-li použito kontinuální zatížení, je maximální možný proud nižší než pro případ pulzního zatížení. Energetické zatížení rentgenky je vyjádřeno pomocí tepelné kapacity rentgenky, která je definována jako největší množství tepla, které může být v rentgence absorbováno, aniž by došlo k nějakému poškození anody. Maximální zatížení anody je charakterizováno tzv. zatěžovací charakteristikou (energy rating chart) pro různé kombinace napětí, proudu a expozičního času. Zatížení RTG zdroje je charakterizováno a současně limitováno jak katodou, tak i anodou. Tepelné omezení anody je hlavní limitací rentgenky.

Při přeměně na teplo dojde k velkému zahřátí anody, proto je nutné, aby byla anody vyrobena z vhodného materiálu (vysoký bod tání) a musí být vhodně zvolena intenzita elektrického pole. Teplota oblasti dopadu elektronů (ohnisko) musí být nižší, než je bod tání materiálu, ze kterého je anoda vyrobena. Teplota samotného anodového terče je ovlivněna tepelnou kapacitou a chladícím mechanismem anody. Obecně platí, že čím větší je oblast, ze které odchází teplo, tím je větší tok tepla, a tím rychleji se z anody odvádí teplo. Anoda může být buď pevná (stacionární), nebo rotační.

Pevná anoda se skládá z kovové části (nejčastěji wolframové) připevněné na měděný blok. Měď slouží jednak jako opora anodového terče a současně velmi významně odvádí teplo z anodového terče. Vzhledem k tomu, že svazek urychlených elektronů stále dopadá na jednu relativně malou plochu anody (typicky pm² až mm²), je nutné dostatečně rychle odvádět teplo, aby

- 1 CZ 32394 UI nedošlo ke zničení terče, a současně vhodně zvolit maximální použitelný proud, a tudíž i množství produkovaných rentgenových fotonů, které na anodový terč dopadají. Kromě pasivního chlazení pevného anodového terče pomocí měděného bloku se někdy používá i chladící media nej častěji voda s uzavřeným chladícím okruhem.

U rentgenky s rotační anodou rotuje anoda s frekvencí až 10 000 otáček/minutu v přerušovaném provozu, kvůli životnosti ložisek ve vakuu. Tepelná energie je vyzářena do chladícího média (obvykle oleje) obtékajícího evakuovanou baňku rentgenky. Rotační anoda (obvykle ze slitiny wolframu a rhenia) je připevněna na tepelně odolnou molybdenovou podstavu s grafitovým základem. Celý terč je molybdenovou osou spojen s měděným blokem, který tvoří část rotoru rentgenky. Stator je tvořený elektromagnety a je umístěn vně evakuované baňky. Stator a rotor tvoří společně indukční motor, kterým je poháněn anodový terč. V rentgence s rotační anodou dopadá svazek elektronů na vymezenou plochu terče, který stále rotuje a teplo z ohniska se rozděluje po celém obvodu terče, což prodlužuje dobu života anodového terče a umožňuje vyšší intenzitu záření, která by u pevné anody vedla k roztavení materiálu anody.

Nově se vyvíjejí i rentgenky s rotačním krytem (rotating envelope tube - Schardt P, Deuringer J, Freudenberger J, Hell E, Knupfer W, Mattern D, Schild M. New X-ray tube performance in computed tomography by introducing the rotating envelope tube technology. Med. Phys. 31 (9), 2004). V tomto provedení se anodový terč stává součástí stěny rentgenky (součástí evakuované baňky) a celá rentgenka rotuje. Katoda je umístěna na ose otáčení rentgenky a svazek elektronů se magneticky vychyluje tak, aby elektrony dopadaly na obvod anody. Tato sestava umožňuje anodu chladit přímo olejem, protože anoda je součástí krytu. Tento typ RTG zdroje je ještě efektivnější v odvádění tepla než rentgenky s rotační anodou. První rentgenkou tohoto typu byla Straton rentgenka od společnosti Siemens, používaná uCT (Computed Tomography, počítačová tomografie).

Dalším typem RTG zdroje je kombinace mikrofokusního RTG zdroje s fokusační RTG optikou. Emitované RTG záření je vyzařováno do všech stran a rentgenová optika dokáže fokusovat RTG záření a tím zvýšit počet fotonů, které dopadnou do fokusu. Fokusující RTG optika je například polykapilámí optika nebo elipsoidní zrcadlo, popřípadě optika s multivrtevnatým povrchem. Velikost fokusu/ohniska se pohybuje od 0.5 mm do desítek mikrometrů.

V současné době je na trhu poptávka po RTG zdrojích, které by měly oblast generující RTG záření 1 až 2 mm a intenzita RTG záření by byla o 2 až 3 řády větší oproti běžně používaným RTG zdrojům.

-2CZ 32394 UI

Podstata technického řešení

Podstatou inovovaného zdroje RTG záření s vysokou intenzitou je možnost zvětšení velikosti elektronového svazku dopadajícího na vhodně zvolenou tvarovanou rotačně symetrickou anodu umožňující řádové zvýšení celkového výkonu deponovaného na anodu při zachování maximální přípustné plošné hustoty výkonu. Takto plošně generované RTG záření je RTG optikou koncentrováno do ohniska, které představuje virtuální zdroj RTG záření o velikosti < 2 mm.

Kromě toho lze tvarovanou anodu opatřit otvory pro intenzivní chlazení chladícím mediem (např. vodou), a tím zvýšit tepelné zatížení, aniž by došlo k jejímu poškození.

V běžných RTG zdrojích se při fokusaci elektronového svazku elektrony vzájemně odpuzují, proto je lze jen obtížně fokusovat do extrémně malého bodu. Dále dochází k vysoké tepelné zátěži anody, v místě fokusace elektronového svazku a může dojít k lokálnímu roztavení anody. Výhoda navrženého řešení je v tom, že anoda i zdroj elektronů mají srovnatelnou plochu (velkoplošné) a nedochází k lokálnímu tepelnému poškození anody, čímž se zvýší celkový výkon toku elektronů na anodu, což vede k extrémnímu nárůstu intenzity emise RTG záření, které je pomocí RTG optiky fokusováno do malého bodu.

Jako zdroj elektronů může být použito elektronové dělo, žhavené vlákno, žhavená zásobníková katoda (sírany/oxidy těžkých kovů a pod), studená nežhavená katoda (CNT vlákna) popřípadě urychlovač nabitých částic.

Tento princip je dobře využitelný pro EUV, XUV a pro RTG záření do cca desítek keV.

Tento systém v principu umožňuje zvýšit celkový výkon RTG zdroje a zvýšit životnost RTG zdroje.

Objasnění výkresů

Podstata technického řešení je znázorněna na výkresech, kde Chyba! Nenalezen zdroj odkazů, schematicky znázorňuje inovovaný RTG zdroj s vysokým výkonem, který je složen/sestaven z katody, tvarované rotačně symetrické anody a RTG optiky, přičemž anoda je z plného materiálu. V kombinaci s RTG optikou lze plošně vygenerované RTG záření koncentrovat do ohniska. Na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů, je schematicky znázorněn příklad, kdy anoda má tvar dutého kužele a v jeho ose je žhavené vlákno katody v kombinaci s RTG optikou, která koncentruje plošně vygenerované RTG záření do ohniska. Na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů, je uveden příklad inovovaného RTG zdroje s vysokým výkonem, kde je použita prstencová anoda i prstencová katoda v kombinaci s RTG optikou, která koncentruje plošně vygenerované RTG záření do ohniska. Na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů, je uveden příklad inovovaného RTG zdroje s vysokým výkonem, kde je použita mozaiková anoda, která je tvořena jednotlivými anodami, které jsou hexagonálně uspořádány v prostoru.

-3CZ 32394 Ul

Příklady uskutečnění technického řešení

Uspořádání zařízení podle tohoto technického řešení bude osvětleno v následujícím popisu na příkladném provedení inovovaného RTG zdroje s vysokým výkonem s odkazem na příslušné výkresy. Uvedené příklady znázorňují varianty provedení zařízení, které jsou ilustrativním vyjádřením aplikace principů tohoto technického řešení.

1. Základní uspořádání inovovaného RTG zdroje s vysokým výkonem je znázorněno na obr. 1. V tomto uspořádání je inovovaný zdroj RTG záření složen/sestaven z katodyJ_, anody 2 a RTG optiky 3, přičemž anoda 2 je z plného materiálu a má kuželovitý tvar. Okolo anody 2 je vytvořen prstenec katody 1 (elektronové dělo). V kombinaci s RTG optikou 3 je koncentrováno RTG záření do ohniska 4, přičemž předpokládaná intenzita RTG záření je o 1 až 2 řády větší oproti běžně používaným RTG zdrojům.

2. Základní uspořádání inovovaného RTG zdroje s vysokým výkonem je znázorněno na obr. 1. V tomto uspořádání je inovovaný zdroj RTG záření složen/sestaven z katody 1, anody 2 a RTG optiky 3, přičemž anoda 2 je z plného materiálu a má kuželovitý tvar. Okolo anody 2 je vytvořen prstenec katody 1 (žhavené vlákno). V kombinaci s RTG optikou 3 je koncentrováno RTG záření do ohniska 4, přičemž předpokládaná intenzita RTG záření je o 1 až 2 řády větší oproti běžně používaným RTG zdrojům.

3. Základní uspořádání inovovaného RTG zdroje s vysokým výkonem je znázorněno na obr. 1. V tomto uspořádání je inovovaný zdroj RTG záření složen/sestaven z katody J_, anody 2 a RTG optiky 3, přičemž anoda 2 je z plného materiálu a má kuželovitý tvar. Okolo anody 2 je vytvořen prstenec katody 1 (žhavená zásobníková katoda). V kombinaci s RTG optikou 3 je koncentrováno RTG záření do ohniska 4, přičemž předpokládaná intenzita RTG záření je o 1 až 2 řády větší oproti běžně používaným RTG zdrojům.

4. Základní uspořádání inovovaného RTG zdroje s vysokým výkonem je znázorněno na obr. 1. V tomto uspořádání je inovovaný zdroj RTG záření složen/sestaven z katody 1, anody 2 a RTG optiky 3, přičemž anoda 2 je z plného materiálu a má kuželovitý tvar. Okolo anody 2 je vytvořen prstenec katody 1 (studená nežhavená katoda). V kombinaci s RTG optikou 3 je koncentrováno RTG záření do ohniska 4, přičemž předpokládaná intenzita RTG záření je o 1 až 2 řády větší oproti běžně používaným RTG zdrojům.

5. Inovovaný RTG zdroj s vysokým výkonem je založen na tvarované anodě 2, která umožňuje řádové zvýšení celkového výkonu deponovaného na anodu 2 při zachování maximální přípustné plošné hustoty výkonu. Jeho uspořádání je znázorněno na obr. 1. V tomto uspořádání je inovovaný zdroj RTG záření složen/sestaven z katody J_, anody 2 a RTG optiky 3, přičemž anoda 2 je z plného materiálu, má kuželovitý tvar a je opatřena otvory pro průchod

-4CZ 32394 UI chladícího média. Okolo anody 2 je vytvořen prstenec katody 1 (jako zdroj elektronů). V kombinaci s RTG optikou 3 je koncentrováno RTG záření do ohniska 4, přičemž předpokládaná intenzita RTG záření je o 1 až 2 řády větší oproti běžně používaným RTG zdrojům.

6. Inovovaný RTG zdroj s vysokým výkonem je založen na tvarované anodě 2, která umožňuje řádové zvýšení celkového výkonu deponovaného na anodu 2 při zachování maximální přípustné plošné hustoty výkonu. Jeho další uspořádání je znázorněno na obr. 2. V tomto uspořádání je inovovaný zdroj RTG záření složen/sestaven z katody 1, anody 2 a RTG optiky 3, přičemž anoda 2 má tvar dutého kužele. V ose dutého anodového 2 kužele je žhavené vlákno katody 1. V kombinaci s RTG optikou 3 je koncentrováno RTG Záření do ohniska 4, přičemž předpokládaná intenzita RTG záření je o 1 až 2 řády větší oproti běžně používaným RTG zdrojům.

7. Inovovaný RTG zdroj s vysokým výkonem je založen na tvarované anodě 2, která umožňuje řádové zvýšení celkového výkonu deponovaného na anodu při zachování maximální přípustné plošné hustoty výkonu. Jeho další uspořádání je znázorněno na obr. 2. V tomto uspořádání je inovovaný zdroj RTG záření složen/sestaven z katody 1, anody 2 a RTG optiky 3, přičemž anoda 2 i katoda 1 mají prstencovitý tvar a v kombinaci s RTG optikou 3, která koncentruje plošně vygenerované RTG záření do ohniska 4. Předpokládaná intenzita RTG Záření je o 1 až 2 řády větší oproti běžně používaným RTG zdrojům.

8. Inovovaný RTG zdroj s vysokým výkonem je založen na tvarované anodě 2, která umožňuje řádové zvýšení celkového výkonu deponovaného na anodu 2 při zachování maximální přípustné plošné hustoty výkonu. Jeho další možné uspořádání je znázorněno na obr. 4. V tomto uspořádání je inovovaný zdroj RTG záření složen/sestaven z katody 1, anody 2 a RTG optiky 3, přičemž je použita mozaiková anoda 5, která je tvořena jednotlivými anodami 2, které jsou v prostoru hexagonálně uspořádány. Takovouto velkoplošnou anodu 5 lze použít pro prosvěcování velkoplošných předmětů.

Průmyslová využitelnost

Použití inovovaného RTG zdroje s vysokým výkonem se předpokládá v oblasti:

• RTG a proteinová krystalografie • RTG spektroskopie • rentgeno-fluorescenční analýzy • RTG tomografie • RT G defektoskopie • bezpečnostní rentgenografie

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Inovovaný zdroj rentgenového záření, vyznačující se tím, že je tvořen tvarovanou rotačně symetrickou anodou (2), pro řádové zvýšení celkového výkonu deponovaného na anodu (2) při zachování maximální přípustné plošné hustoty

   -5 CZ 32394 UI výkonu a dále je opatřen RTG optikou (3) pro koncentraci plošně generovaného RTG záření do ohniska (4), které představuje virtuální zdroj pro další aplikaci RTG záření velikosti < 2 mm.
2. 2. Inovovaný zdroj rentgenového záření podle nároku 1, vyznačující se tím, že tvarovaná rotačně symetrická anoda (2) je opatřena otvory pro průchod chladícího media.
3. 3. Inovovaný zdroj rentgenového záření podle nároku 1, vyznačující se tím, že tvarované rotačně symetrické anody (2) jsou prostorově uspořádány tak, aby vytvořily velkoplošnou mozaikovou anodu (5).

   1 výkres

   Seznam vztahových značek

   1 - Katoda

   2 - Tvarovaná rotačně symetrická anoda

   3 - RTG optika

   4 - Fokus/ohnisko

   5 - Velkoplošná mozaiková anoda