Основной тренд развития современного аналитического приборостроения – создание компактных измерительных систем настольного (table-top) и наладóнного (palm-top) типов. Для их практической реализации в системах рентгеновской аналитики и диагностики, которые играют важнейшую роль в медицине, промышленности и науке, необходимо создание компактных и ярких микрофокусных источников рентгеновского излучения.

Специалисты ФИАН совместно с партнерами из ООО «МЭЛЗ», ФГУП НПП «ИСТОК» и ТОО «Ангстрем» успешно решили эту проблему.

    Рассказывает зав лабораторией рентгеновских методов диагностики наноструктур ФИАН, доктор физ.-мат. наук Александр Георгиевич Турьянский.

    Нами разработан опытный экземпляр компактного микрофокусного рентгеновского генератора с размером фокуса порядка 10 микрон.  Собственно источником излучения является миниатюрная рентгеновская трубка диаметром 20 мм и длиной 75 мм. Разумеется, микрофокусные источники рентгеновского излучения – это не новинка. Они изготавливаются рядом ведущих компаний в США, Японии и Германии и широко применяются для инспекции промышленных изделий и в медико-биологической диагностике. Но они базируются на габаритных системах магнитной фокусировки. В корпусе нашей трубки установлена двухступенчатая система электростатической фокусировки электронов. Это позволило отказаться от систем магнитной фокусировки и резко сократить вес и размеры и энергопотребление. В частности, вес нашей трубки  всего около 20 г.

Общий вид микрофокусной рентгеновской трубки.
Размер рентгеновской трубки составляет ~3” (7,62 см)

    Другая принципиальная особенность нового источника заключается в том, что тонкопленочный металлический анод нанесен на оптически актированную прозрачную алмазную подложку, которая одновременно является выходным окном трубки. Рекордно высокая теплопроводность алмаза позволяет, во-первых, в несколько раз увеличить яркость рентгеновского фокуса. Во-вторых, при оптимальном выборе толщины тонкопленочного анода и ускоряющего напряжения падающими на анод электронами одновременно генерируется интенсивное рентгеновское излучение в металлической пленке и оптическое излучение в алмазной подложке. При этом положение и размер оптического и рентгеновского фокусов оказываются практически совмещены. Благодаря прозрачности алмазной подложки в рентгеновском и оптическом диапазонах рентгеновское излучение становится видимым!

Свечение ромбовидной пластины алмаза под действием высокоэнергетичных фотоэлектронов.
Эксперимент на синхротроне ESRF (точка ввода пучка показана стрелкой)

    Поскольку один и тот же пучок электронов  вызывает оба типа излучений – рентгеновское и оптическое, – то фактически мы видим рентгеновский фокус, – поясняет Александр Георгиевич. – Такая визуализация рентгеновского излучения решает проблемы с юстировкой рентгеновского оборудования и детальным измерением характеристик фокусного пятна. Но, пожалуй, наиболее важно, что визуализация рентгеновского излучения обеспечивает кардинальное улучшение безопасности эксплуатации  работы, поскольку источник используется настольных приборах.

Моноблок с рентгеновской трубкой и высоковольтным источником

    Перечисленные характеристики разработанного источника открывают новые возможности для широкого применения: в промышленности (контроль дефектов, локальный анализ состава и структуры), в медико-биологической диагностике и в научной аналитике. При использовании фокусирующих рентгеновских зеркал и поликапилляров потоки излучения могут быть увеличены в сотни раз. Источник запатентован в России, и в настоящее время совместно с ТОО «Ангстрем» патентуется в США и Европе.

Беседовала Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

__________________________________________

P.S. Все фото предоставлены А.Г. Турьянским