PL227227B1 - Miniaturowe zródło promieniowania rentgenowskiego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest miniaturowe źródło promieniowania rentgenowskiego typu MEMS, wykonane technikami mikroinżynieryjnymi.

Źródła promieniowania rentgenowskiego znajdują powszechne zastosowanie w wielu dziedzinach, szczególnie w medycynie do prześwietlania tkanek miękkich oraz do naświetlania zmian nowotworowych (radioterapia), a także w przemyśle do inspekcji niewidocznych gołym okiem struktur.

Z publikacji A. S. Bugaev et ak, Low-power X-ray tubes (the current state), Physics - Uspekhi 56, 7 (2013) 691-703 znane jest miniaturowe źródło promieniowania rentgenowskiego wykorzystujące wiązkę elektronów emitowanych z katody termicznej. Pracowało ono przy napięciu 45 kV i prądzie 200 μA (9 W). Zastosowano 3-elektrodowy układ z anodą wykonaną z rurki metalowej o długości 35 mm i średnicy 8 mm, i targetem usytuowanym na jej końcu. Pierścieniowy stały magnes na rurce anody skupiał wiązkę do plamki o średnicy 40 μm.

Z publikacji J. Kawai, High-sensitivity small-size X-ray fluorescence spectrometers, Guest Forum 12 (2008) 52-56, znane jest źródło promieniowania X z wykorzystaniem pirokryształów. Źródło to ₂ charakteryzuje się małymi wymiarami 15x10 mm² i może być zasilane baterią 9 V. Maksymalna energia elektronów uderzających w target Cu wynosi 35 keV. Generują one słabe, pulsacyjne promieniowanie, którego intensywność zmienia się w takt grzania i schładzania kryształu.

W publikacji S. Choi et al, Smart x-ray tube based on CNT emitters for stationary tomosynthesis examination system, 24th International Vacuum Nanoelectronics Conference 2011, 18-22 July 2011, pp. 185-186 opisano miniaturowe źródło X wykorzystujące połowę źródło elektronów z nanorurek węglowych. Zastosowano w nim podwójną soczewkę skupiającą, która pozwoliła otrzymać ognisko wiązki elektronów o średnicy 0,3 mm w odległości 10 mm od powierzchni katody. Lampa składała się z części metalowych (kowar), połączonych z rurką ceramiczną oraz anody molibdenowej umieszczonej na miedzianym bloku.

Z europejskiego zgłoszenia patentowego EP1058286A1 znane jest źródło wykonane technikami mikroinżynieryjnymi z krzemu i szkła składające się przynajmniej z jednej katody i jednaj anody.

W zgłoszeniu patentowym US 7402982B2 opisane jest źródło wykonane technikami mikroinżynieryjnymi wyposażone poza układem generacji promieniowania rentgenowskiego w zintegrowany układ filtrów i układ skupiający wiązkę.

W zgłoszeniu patentowym P408322 opisano mikromechaniczną, jonowo-sorpcyjną pompę próżniową. Pompa ma budowę warstwową i Pompa charakteryzuje się tym, że katoda polowa znajduje się poniżej anody i jest od niej oddzielona dystansownikiem dolnym wykonanym ze szkła, w którym wykonany jest otwór dolny o osi pokrywającej się z osiami otworów środkowego w anodzie i górnego w dystansowniku górnym, przy czym do anody przyłożone jest napięcie U2 z zakresu od 500 V do 1000 V względem katody, zaś potencjał U1 kolektora względem katody stanowi od 70% do 80% napięcia katody względem anody, natomiast powierzchnia kolektora jest pokryta warstwą tytanu.

Z artykułu A1 autorstwa T. Grzebyka, A, Góreckiej-Drzazgi, i J. Dziubana, Glow-discharge Ion-sorption micropump, Sensors & Actuators B, 208 (2014) 1 1 3-119 znana jest mikropompa próżniowa, która składa się kolejno z katody mikropompy, dystansownika, anody mikropompy, drugiego dystansownika oraz drugiej katody mikropompy oraz dwóch magnesów znajdujących się po obu stronach mikropompy.

W lampach rentgenowskich, wiązka elektronów przyspieszana jest w bardzo silnym polu elektrycznym (10-100 kV), a następnie zostaje gwałtownie wyhamowana na materiale anody tzw. targecie. Skutkiem tego procesu fizycznego jest m.in. emisja promieniowania rentgenowskiego X (0,01-10 nm). Parametry wiązki promieniowania X zależą głównie od rodzaju źródła elektronów, konfiguracji elektrod, materiału targetu oraz poziomu próżni.

Jednym z poważniejszych problemów przy konstruowaniu źródeł promieniowania rentgenowskiego jest zapewnienie wysokiej próżni we wnętrzu urządzenia i podtrzymanie jej na okres kilku lat. Lampy o dużych rozmiarach mogą być albo na stałe podłączone do systemów pompowych albo uszczelnione próżniowo. Często stosuje się w nich również getery (materiały pochłaniające gazy resztkowe). W systemach o małej objętości dużo trudniej jest uzyskać wysoką próżnię. Metody uszczelniania i technika geterów sprawdzają się jedynie w wypadku lamp rentgenowskich wykonanych klasycznymi technikami mechaniki precyzyjnej. Nie powstało do tej pory w praktyce żadne miniaturowe źródło promieniowania rentgenowskiego typu MEMS wykonane w technikami mikroinżynieryjPL 227 227 B1 nymi. Konstrukcje opisane w dokumentach EP1058286A1 oraz US7402982B2 nie mogłyby stabilnie działać, ponieważ nie rozwiązano w nich problemu zapewnienia odpowiedniej próżni.

Istota miniaturowego źródła rentgenowskiego typu MEMS, wykonanego technikami mikroinżynieryjnymi z wykorzystaniem bondingu anodowego, według wynalazku, polega na tym, że ma próżnioszczelne komory: mikrokomorę źródła oraz połączoną z nią mikropompę, zbudowaną podobnie jak opisano w artykule A1 przytoczonym w stanie techniki, przy czym mikrokomora źródła zbudowana jest z ułożonych naprzemiennie elektrod i dystansowników, stanowiących jednocześnie jej obudowę: kolejno z katody, stanowiącej podstawę dolną, pierwszego dystansownika, elektrody ekstrakcyjnej, drugiego dystansownika, elektrody sterującej, trzeciego dystansownika i anody, stanowiącej podstawę górną, z czego, poza skrajnymi elektrodami, elementy te posiadają współśrodkowe, przelotowe otwory, natomiast elektroda ekstrakcyjna i drugi dystansownik są wspólne dla mikrokomory źródła i mikropompy, w drugim dystansowniku wykonany jest zaś kanał łączący mikropompę z mikrokomorą źródła.

Korzystnie, katoda spolaryzowana jest ujemnie napięciem od -500 do -1000 V i naniesiona jest 22 na nią pierwsza warstwa emisyjna o powierzchni od 0,01 mm² do 25 mm².

Korzystnie, elektroda ekstrakcyjna ma potencjał masy i wykonany w niej otwór przelotowy jest pojedynczy. W wariancie wynalazku otwór przelotowy ma formę matrycy otworów o łącznej po22 wierzchni od 0,5x0,5 mm² do 6x6 mm².

Korzystnie, otwór przelotowy w elektrodzie sterującej ma powierzchnię większą niż w elektrodzie ekstrakcyjnej.

W wariancie wynalazku potencjał elektrody sterującej dobierany jest z zakresu -10 do -500 V ₂ tak, aby uzyskać wiązkę elektronów o możliwie najmniejszej średnicy, rzędu. 1 pm .

W innym wariancie wynalazku potencjał dobierany jest w zakresie +10 do +500 V tak, aby ₂ otrzymać równomierną wiązkę o większej średnicy, rzędu. 1 cm².

Korzystnie, anoda jest membraną o grubości od 100 nm do 10 pm, a na jej wewnętrzną powierzchnię naniesiona jest druga warstwa z materiału należącego do grupy: miedź, tantal, wolfram, molibden. Na anodę podawane jest napięcie w zakresie od 10 do 50 kV.

Korzystnie, przelotowe otwory w dystansownikach szklanych mają średnice większe niż średnica największego z otworów w elektrodach.

Zaletami wynalazku są małe wymiary urządzenia, możliwość zastosowania w przenośnych urządzeniach rentgenowskich oraz urządzeniach matrycowych. Zastosowanie technik mikroinżynieryjnych do produkcji źródła rentgenowskiego pozwala na wielkoseryjną produkcję, eliminuje konieczność stosowania dodatkowej próżniowej obudowy. Integracja źródła z mikropompą wydłuża czas poprawnej pracy, niweluje efekty starzeniowe i pozwala uzyskać stabilne promieniowanie. Zmniejszenie wymiarów czyni takie urządzenia bardziej przenośne, umożliwia wytworzenie matrycy źródeł w obrębie pojedynczego systemu (np. w tomografii rentgenowskiej) a także zmniejsza zużycie mocy.

Źródło zostało bliżej przedstawione w przykładach realizacji i w oparciu o rysunek, który przedstawia jego przekrój w płaszczyźnie pionowej.

P r z y k ł a d 1

Miniaturowe źródło rentgenowskie typu MEMS, wykonane technikami mikroinżynieryjnymi z wykorzystaniem bondingu anodowego ma próżnioszczelne komory: mikrokomorę źródła oraz połączoną z nią mikropompę, zbudowaną jak opisano w artykule A1 przytoczonym w stanie techniki, przy czym mikrokomora źródła zbudowana jest z ułożonych naprzemiennie elektrod i dystansowników, stanowiących jednocześnie jej obudowę: kolejno z katody A, stanowiącej podstawę dolną, pierwszego dystansownika B, elektrody ekstrakcyjnej C, drugiego dystansownika D, elektrody sterującej E, trzeciego dystansownika F i anody G, stanowiącej podstawę górną, z czego, poza skrajnymi elektrodami, elementy te posiadają współśrodkowe, przelotowe otwory, natomiast elektroda ekstrakcyjna C i drugi dystansownik D są wspólne dla mikrokomory źródła i mikropompy, w drugim dystansowniku D wykonany jest zaś kanał K łączący mikropompę z mikrokomorą źródła. Elementy wspólne dla obu komór mają otwory przelotowe zarówno w części mikrokomory źródła jak i w części mikropompy. Katoda A spolaryzowana jest ujemnie napięciem -750 V i naniesiona jest na nią pierwsza warstwa emisyjna J ₂ w postaci nanorurek węglowych o powierzchni 0,25 mm². Elektroda ekstrakcyjna C ma potencjał masy ₂ i wykonany w niej jest pojedynczy otwór przelotowy o wymiarach 1x1 mm². Otwór przelotowy w elektrodzie sterującej E ma powierzchnię większą niż w elektrodzie ekstrakcyjnej C, co wyraża się w stosunku średnic otworów równym 1,2. Potencjał tej elektrody wynosi -150 V, dzięki czemu wiązka elektronów ulega skupieniu. Anoda G jest membraną o grubości 1 pm, a na jej wewnętrzną powierzchnię naniesiona jest druga warstwa - I z wolframu o grubości 200 nm. Na anodę G podawane jest napięcie

PL 227 227 B1 kV. Przelotowe otwory w dystansownikach szklanych mają średnice równe 2 mm, większe niż otwory w elektrodach tak, aby nie zaburzały one toru ruchu elektronów.

Działanie źródła według wynalazku jest następujące: elektrony emitowane są z katody pod wpływem działania silnego pola elektrycznego (duża różnica potencjałów pomiędzy katodą i elektrodą ekstrakcyjną), przechodząc przez otwór wykonany w elektrodzie sterującej mogą zostać odchylone w kierunku zależnym od potencjału elektrody, w momencie w którym uderzają o anodę wytracają swoją energię, czemu towarzyszy emisja promieniowania rentgenowskiego. Promieniowanie jest w stanie przeniknąć na zewnątrz struktury przez cienką membranę. We wnętrzu urządzenia panuje próżnia wstępna. Przed uruchomieniem (podaniem napięć) części odpowiedzialnej za wytworzenie promieniowania rentgenowskiego, uruchomiona zostanie najpierw część stanowiąca mikropompę. W momencie, w którym mikropompa wytworzy próżnię wysoką, uruchomiona zostaje część ze źródłem rentgenowskim. Pompa może pracować w sposób ciągły, podtrzymując wytworzoną próżnię, albo być uruchamiana cyklicznie (np. przez 1 minutę raz na godzinę, lub na minutę przed każdorazowym uruchomieniem źródła).

Claims (1)

1. Miniaturowe źródło promieniowania rentgenowskiego typu MEMS, wykonane technikami mikroinżynieryjnymi z wykorzystaniem bondingu anodowego, wykorzystujące mikropompę zbudowaną jak opisano w artykule A1 przytoczonym w stanie techniki, znamienne tym, że ma próżnioszczelne komory: mikrokomorę źródła oraz połączoną z nią mikropompę, przy czym mikrokomora źródła zbudowana jest z ułożonych naprzemiennie elektrod i dystansowników, stanowiących jednocześnie jej obudowę: kolejno z katody (A), stanowiącej podstawę dolną, pierwszego dystansownika (B), elektrody ekstrakcyjnej (C), drugiego dystansownika (D), elektrody sterującej (E), trzeciego dystansownika (F) i anody (G), stanowiącej podstawę górną, z czego, poza skrajnymi elektrodami, elementy te posiadają współśrodkowe, przelotowe otwory, natomiast elektroda ekstrakcyjna (C) i drugi dystansownik (D) są wspólne dla mikrokomory źródła i mikropompy, w drugim dystansowniku (D) wykonany jest zaś kanał łączący mikropompę z mikrokomorą źródła.

   Źródło według zastrz. 1, znamienne tym, że katoda (A) spolaryzowana jest ujemnie napięciem od -500 do -1000 V.

   Źródło według zastrz. 1, znamienne tym, że na katodę (A) naniesiona jest pierwsza war22 stwa emisyjna (J) o powierzchni od 0,01 mm² do 25 mm².

   Źródło według zastrz. 1, znamienne tym, że elektroda ekstrakcyjna (C) ma potencjał masy i wykonany w niej otwór przelotowy jest pojedynczy.

   Źródło według zastrz. 1, znamienne tym, że otwór przelotowy w elektrodzie ekstrakcyjnej 22 (C) ma formę matrycy otworów o łącznej powierzchni od 0,25 mm² do 36 mm².

   Źródło według zastrz. 1, znamienne tym, że otwór przelotowy w elektrodzie sterującej (E) ma powierzchnię większą niż w elektrodzie ekstrakcyjnej (C).

   Źródło według zastrz. 1, znamienne tym, że potencjał elektrody sterującej ma wartość od -10 do -500 V.

   Źródło według zastrz. 1, znamienne tym, że potencjał elektrody sterującej (E) ma wartość od 10 do 500 V.

   Źródło według zastrz. 1, znamienne tym, że anoda (G) jest membraną o grubości od 100 nm do 10 μm

   Źródło według zastrz. 1, znamienne tym, że na wewnętrzną powierzchnię anody (G) naniesiona jest druga warstwa (I) z materiału należącego do grupy: miedź, tantal, wolfram, molibden.

   Źródło według zastrz. 1, znamienne tym, że na anodę (G) podawane jest napięcie w zakresie od 10 do 50 kV.

   Źródło według zastrz. 1, znamienne tym, że przelotowe otwory w dystansownikach szklanych mają średnice większe niż średnica największego z otworów w elektrodach.