FR2574592A1

FR2574592A1 - X=ray tube with short duration pulses

Info

Publication number: FR2574592A1
Application number: FR8518315A
Authority: FR
Inventors: Koichiro Oba
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1984-12-11
Filing date: 1985-12-11
Publication date: 1986-06-13
Anticipated expiration: 2005-12-11
Also published as: DE3543591A1; FR2574592B1; JPS61140042A

Abstract

The tube has an input from a laser source (8) in the form of very short duration pulses. The pulses are received by a photo cathode (1) formed on the curved inner surface of the tube. The photo cathode emits photo electrons that are directed between focussing electrodes (4) within the vacuum chamber. The beam is focussed down to a narrow beam that is received by a target element (5) mounted at an angle on the anode (7) built into the throat section. The reflected emission is directed through a window in a beryllium plate. The material of the target element is selected to suit the X-ray energy level. The projecting end of the anode may be cooled by circulated air to minimise thermal effects.

Description

" Tube à rayons X de type àréflexion
L'invention concerne un tube à rayons
X de type à réflexion, capable de-produire une impulsion de rayons X à très grande puissance et de durée extreme- ment courte."X-ray tube of reflection type
The invention relates to a spoke tube.
X-ray type of reflection, capable of producing a pulse of X-rays at very high power and of extremely short duration.

Dans un tube à rayons X classique, les rayons X sont produits en élevant la température de la cathode au moyen d'un élément de chauffage, pour produire l'émission thermoionique des électrons, en formant un mince faisceau d'électrons au moyen d'un système de focalisation électrostatique, et en exposant la cible à ce faisceau d'électrons. In a conventional X-ray tube, X-rays are produced by raising the temperature of the cathode by means of a heating element, to produce the thermionic emission of electrons, by forming a thin electron beam by means of an electrostatic focusing system, and exposing the target to this electron beam.

La mesure des propriétés des matériaux par des impulsions de rayons X extrêmement courtes, est très vivement demandée. Cependant, un tube à rayons
X à cathode thermique ne permet pas d'obtenir la moindre réponse aux fréquences élevées.The measurement of the properties of materials by extremely short X-ray pulses is very much in demand. However, a spoke tube
X with thermal cathode does not make it possible to obtain any response at high frequencies.

Un tube à rayons X utilisant une photocathode comme source de faisceau d'électrons, a été décrite dans la Demande de Brevet Japonais nO 153 663/1983 déposée par l'auteur de la présente invention, pour répondre aux besoins ci-dessus. An X-ray tube using a photocathode as an electron beam source, has been described in Japanese Patent Application No. 153,663 / 1983 filed by the author of the present invention, to meet the above needs.

La figure 1 représente une vue en coupe du tube à-rayons X décrit dans la Demande-de Brevet 3aponais ci-dessus. Figure 1 shows a sectional view of the X-ray tube described in the 3-Polish Patent Application above.

Un point de focalisation du mince faisceau d'électrons produit, comme indiqué sur la figure 1-, par la photocathode 1 excitée par une impulsion de lumière de durée extrêmement courte 8 fournie par un faisceau laser (non représenté), est formé par l'électrode de focalisation 4 et vient tomber sur la cible à rayons X 5. A focal point of the thin electron beam produced, as shown in Figure 1-, by the photocathode 1 excited by a light pulse of extremely short duration 8 supplied by a laser beam (not shown), is formed by the focusing electrode 4 and falls on the X-ray target 5.

Les rayons X produits par le faisceau d'électrons 11 lorsque celui-ci traverse la cible à rayons X proprement dite 5, sortent de l'enveloppe de verre 3 en passant à travers la fenêtre métallique de beryllium 6. Les rayons X émis par la cible à rayons X sont identifiés sous la forme de l'impulsion de rayons
X 10 produite en réponse à l'impulsion de lumière de durée extrêmement courte 8.The X-rays produced by the electron beam 11 when the latter crosses the actual X-ray target 5, exit the glass envelope 3 passing through the metallic beryllium window 6. The X-rays emitted by the x-ray target are identified in the form of the ray pulse
X 10 produced in response to the light pulse of extremely short duration 8.

La forme d'onde de l'impulsion de rayons X obtenue est courte. On peut ainsi prévoir un plus grand nombre d'applications en utilisant l'impulsion de rayons X 10. The waveform of the resulting X-ray pulse is short. We can thus foresee a greater number of applications by using the X-ray pulse 10.

Les rayons X produits par le tube à rayons X doivent passer à travers la cible à rayons X elle-meme 5, de sorte que cette cible doit être suffisamment mince pour transmettre les rayons X à ltextérieur de l'enveloppe de verre avec des pertes de transmission négligeables. The X-rays produced by the X-ray tube must pass through the X-ray target itself 5, so that this target must be thin enough to transmit the X-rays inside the glass envelope with losses of negligible transmission.

Cependant, la puissance du faisceau d'électrons (ou le produit de la tension appliquée par le courant dissipé) est limitée, de sorte que cette limitation de la puissance électrique limite à son tour la puissance des rayons X. However, the power of the electron beam (or the product of the voltage applied by the dissipated current) is limited, so that this limitation of electrical power in turn limits the power of X-rays.

Un film de titane d'environ 10 microns d'épaisseur, est utilisé pour former la cible à rayons -X 5 du tube à rayons X. Si le faisceau d'électrons est accéléré par une tension continue de 10 kV, le courant maximum est limité à 10
Si le courant du faisceau dépasse 10 tuS, la température de la cible à rayons X 5 peut s élever jusqu'à la porter au rouge, en risquant de percer finalement un trou dans cette cible à rayons X 5.A titanium film about 10 microns thick, is used to form the X-ray target 5 of the X-ray tube. If the electron beam is accelerated by a DC voltage of 10 kV, the maximum current is limited to 10
If the beam current exceeds 10 tuS, the temperature of the X-ray target 5 can rise to bring it to red, risking eventually drilling a hole in this X-ray target 5.

L'invention a pour but de pallier ces inconvénients en créant un tube à rayons X de type à réflexion, permettant de produire une impulsion de rayons
X de très grande puissance et de durée extremement courte.The object of the invention is to overcome these drawbacks by creating an X-ray tube of the reflection type, making it possible to produce a ray pulse.
X of great power and extremely short duration.

A cet effet, l'invention concerne un tube à rayons X de type à reflexion, tube caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe sous vide ; une photocathode formée à l'intérieur de l'enveloppe sous vide une lentille électronique destinée à faire suivre une certaine trajectoire aux photoélectrons émis par la photocathode, de manière à focaliser un faisceau fin sur la cible ; une cible de type à réflexion destinée à produire des rayons X en réponse au faisceau fin d'électrons focalisé par la lentille électronique ; une anode reliée à la cible à l'intérieur de l'enveloppe sous vide ; et une plaque métallique mince transparente aux rayons X. To this end, the invention relates to an X-ray tube of the reflection type, a tube characterized in that it comprises a vacuum envelope; a photocathode formed inside the vacuum envelope an electronic lens intended to make the photoelectrons emitted by the photocathode follow a certain trajectory, so as to focus a fine beam on the target; a reflection type target for producing X-rays in response to the fine electron beam focused by the electronic lens; an anode connected to the target inside the vacuum envelope; and a thin metal plate transparent to X-rays.

L'invention sera décrite en détails en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels
- la figure 1 est une vue en coupe d'un tube à rayons X selon l'art antérieur
- la figure 2 est une vue en coupe d'une forme de réalisation d'un tube à rayons X de type à réflexion selon l'invention
- la figure 3 est une vue en coupe d'une forme de réalisation de la structure de refroidissement de-l'anode ; et
- la figure 4est une vue en coupe d'une autre forme de réalisation de la structure de refroidissement de l'anode.The invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in which
- Figure 1 is a sectional view of an X-ray tube according to the prior art
- Figure 2 is a sectional view of an embodiment of a reflection type X-ray tube according to the invention
- Figure 3 is a sectional view of an embodiment of the cooling structure of the anode; and
- Figure 4 is a sectional view of another embodiment of the anode cooling structure.

Sur la figure 2, la fenêtre 2 recevant la lumière incidente se présente sous une forme sphérique venant devant l'enveloppe cylindrique sous vide 3 réalisée en verre, et la photocathode 1 est formée sur la surface intérieure de la fenêtre 2. In FIG. 2, the window 2 receiving the incident light takes the form of a spherical shape coming in front of the cylindrical vacuum envelope 3 made of glass, and the photocathode 1 is formed on the interior surface of the window 2.

L'électrode de focalisation 4 destinée à former la lentille électronique focalisant les photoélectrons émis par la photocathode 1 sur la cible, est placée à l'intérieur de l'enveloppe sous vide 3 réalisée en verre. The focusing electrode 4 intended to form the electronic lens focusing the photoelectrons emitted by the photocathode 1 on the target, is placed inside the vacuum envelope 3 made of glass.

Une cible épaisse 5 reliée à l'élec- trode d'anode 7, est placée au point de focalisation où l'étalement du faisceau d'électrons 11 est réduit au minimum par l'électrode de focalisation 4. A thick target 5 connected to the anode electrode 7 is placed at the focus point where the spread of the electron beam 11 is minimized by the focus electrode 4.

L'anode 7 est fixée à l'enveloppe sous vide 3, et une partie de cette- anode 7 est placée à l'extérieur de l'enveloppe sous vide 3. The anode 7 is fixed to the vacuum envelope 3, and a part of this anode 7 is placed outside the vacuum envelope 3.

La surface de la cible 5 est inclinée par rapport à la trajectoire de passage du faisceau d'électrons 11. The surface of the target 5 is inclined relative to the path of passage of the electron beam 11.

La fenêtre 6 réalisée dans une plaque métallique de beryllium de 500 microns d'épaisseurou moins, est placée de façon que les rayons X 9 produits à la surface de la cible 5, puissent sortir de l'enveloppe sous vide 3 en traversant la fenêtre 6. Cette fenêtre 6 est placée perpendiculairement à la trajectoire de passage des rayons X 9 produits à la surface de la cible 5. Window 6 made of a beryllium metal plate 500 microns thick or less, is placed so that the X-rays 9 produced on the surface of the target 5, can exit the vacuum envelope 3 by passing through window 6 This window 6 is placed perpendicular to the path of passage of the X-rays 9 produced on the surface of the target 5.

Le matériau de la cible 5 doit être choisi selon l'énergie des rayons X qu'on veut obtenir. The material of target 5 must be chosen according to the energy of the X-rays that we want to obtain.

L'énergie des rayons X correspondant à chaque métal spécifique est donnée ci-après en KeV
Titane (Ti) 4,5 KeV
Vanadium (V) 4,96 KeV
Chrome (Cr) 5,42 KeV
Fer (Fe) 6,40 KeV
Cobalt (Co) 6,92 KeV
Nickel (Ni) 7,47 KeV
Cuivre (Cu) 8,04 KeV
Une partie de l'anode 7 selon l'invention est placée à l'extérieur de l'enveloppe sous vide 3, de façon que l'augmentation de température de la cible 5 soit évitée par un refroidissement à l'air forcé de cette partie de l'anode 7.The energy of the X-rays corresponding to each specific metal is given below in KeV
Titanium (Ti) 4.5 KeV
Vanadium (V) 4.96 KeV
Chrome (Cr) 5.42 KeV
Iron (Fe) 6.40 KeV
Cobalt (Co) 6.92 KeV
Nickel (Ni) 7.47 KeV
Copper (Cu) 8.04 KeV
A part of the anode 7 according to the invention is placed outside the vacuum envelope 3, so that the increase in temperature of the target 5 is prevented by cooling with forced air of this part from anode 7.

Les ailettes de refroidissement 12 de la figure 3 sont fixées à l'anode 7 de façon que ces ailettes de refroidissement 12 soient effectivement refroidies par le ventilateur 13. The cooling fins 12 of FIG. 3 are fixed to the anode 7 so that these cooling fins 12 are effectively cooled by the fan 13.

Un dispositif à effet Peltier 15 est fixé sur le bord de l'anode 7 de la figure 4. On peut refroidir la partie extérieure de l'anode 7 en alimentant le dispositif à effet Peltier 15 par les bornes 16. A Peltier effect device 15 is fixed to the edge of the anode 7 of FIG. 4. The external part of the anode 7 can be cooled by supplying the Peltier effect device 15 via the terminals 16.

Un tuyau de refroidissement 17 muni d'une entrée 18 et d'une sortie 19 de circulation d'eau, peut être monté dans le dispositif à effet Peltier 15 pour renforcer l'effet de refroidissement. A cooling pipe 17 provided with an inlet 18 and an outlet 19 for circulating water, can be mounted in the Peltier effect device 15 to reinforce the cooling effect.

Le tube à rayons X selon l'invention, décrit ci-dessus, utilise une cible à rayons X de type à réflexion, reliée à l'enveloppe sous vide par l'intermédiaire de l'anode, de sorte que la cible elle-même se trouve forcément fixée à l'enveloppe sous vide. The X-ray tube according to the invention, described above, uses a reflection type X-ray target, connected to the vacuum envelope via the anode, so that the target itself is necessarily attached to the vacuum envelope.

L'anode supportant la cible à l'intérieur de l'enveloppe sous vide, peut rayonner la chaleur dissipée par celle-ci, ce qui; permet d'éviter l'augmentation de température de la cible. The anode supporting the target inside the vacuum envelope, can radiate the heat dissipated by it, which; avoids the temperature increase of the target.

Comme la partie extérieure de l'anode est exposée au refroidissement par air forcé, on peut fortement augmenter la puissance du faisceau d'électrons comparativement au cas de la cible transparente classique. La puissance maximum des rayons X peut être déterminée par la capacité en courant de la photocathode. As the outer part of the anode is exposed to forced air cooling, the power of the electron beam can be greatly increased compared to the case of the conventional transparent target. The maximum x-ray power can be determined by the current capacity of the photocathode.

Bien que le courant photoélectrique d'un tube à rayons X de technique classique soit limité à 10 /uA, ce courant peut être bien supérieur à celui de la technique classique dans la-forme de réalisation utilisant le refroidissement par air forcé. En augmentant la surface de la photocathode et l'intensité du champ électrique devant la photocathode, on peut augmenter le courant d'anode Jusqu'à 10 mA. Although the photoelectric current of an x-ray tube of conventional technique is limited to 10 / uA, this current can be much higher than that of the conventional technique in the embodiment using forced air cooling. By increasing the surface of the photocathode and the intensity of the electric field in front of the photocathode, the anode current can be increased up to 10 mA.

Les rayons X n'ont pas besoin de traverser la cible elle-même, ce qui permet d'augmenter considérablement le rendement de sortie des rayons X hors de l'enveloppe sous vide. X-rays do not need to pass through the target itself, which greatly increases the output efficiency of X-rays out of the vacuum envelope.

Le tube à rayons X selon l'invention utilise la même photocathode que celle d'un dispositif classique pour former la source du faisceau d'électrons. The X-ray tube according to the invention uses the same photocathode as that of a conventional device to form the source of the electron beam.

Par suite, l'impulsion de rayons X à grande vitesse peut être obtenue facilement. As a result, the high speed X-ray pulse can be obtained easily.

Claims

10) X-ray tube of the reflection type, tube characterized in that it comprises a vacuum envelope (3); a photocathode (1) formed inside the vacuum envelope (3); an electronic lens (4) intended to make the photoelectrons emitted by the photocathode (1) follow a certain path, so as to focus a fine beam on the target (5); a reflection type target (5) for producing X-rays in response to the fine electron beam (11) focused by the electronic lens (4); an anode (7) connected to the target (5) inside the vacuum envelope (3); and a thin metal plate (6) transparent to X-rays.

20) X-ray tube of the reflection type according to claim 1, characterized in that a part of the anode (7) connected to the target (5), is placed outside the vacuum envelope ( 3), so that this anode (7) can be effectively cooled by forced air (14).

30) Reflection type ray tube according to claim 1, characterized in that a part of the anode (7) connected to the target (5) is placed outside the vacuum envelope (3) , material capable of effectively cooling this anode (7) by a Peltier effect device (15).

40) X-ray tube of the reflection type according to claim 1, characterized in that the thin metal plate (6) is made of beryllium.