Разработка магнитной линзы микрофокусной рентгеновской трубки без принудительного жидкостного охлаждения

Введение. Микрофокусная рентгеновская трубка является важной составляющей современной медицинской диагностики, научных исследований и промышленных применений. Одним из ее основных элементов служит система фокусировки, частью которой является магнитная линза. Ее характеристики во многом определяют разрешающую способность устройства. На эффективность и надежность работы фокусирующей системы важное влияние оказывает правильный учет тепловых режимов. Проблема теплового расчета приобретает особую значимость ввиду интенсивного роста требований к качеству рентгеновских изображений. Для охлаждения электронных линз системы фокусировки рентгеновской трубки в основном используют принудительное жидкостное охлаждение, что создает дополнительные трудности и затраты при производстве и эксплуатации прибора.

Цель работы. Построение численной модели тепловых процессов в магнитной линзе, а также определение ее оптимальных параметров для возможности работы без принудительного жидкостного охлаждения и обеспечения микронного диаметра фокусного пятна.
Материалы и методы. Для построения модели тепловых процессов в магнитной линзе применялись численно аналитические методы. Оценка полученных результатов выполнялась численным моделированием тепловых процессов, реализованным в среде Comsol Multiphysics.
Результаты. Значения температуры катушки магнитной линзы, полученные в рамках расчетной модели и в результате моделирования, не превышают предельно допустимых значений. Графики распределения температуры по сечению катушки в рамках расчетной модели и в модели Comsol Multiphysics имеют одинаковую форму, что подтверждает справедливость расчетов.
Заключение. Полученные оптимальные параметры магнитной линзы обеспечивают ее стабильную работу при естественном охлаждении.

1. Физико-технические основы современной микрофокусной рентгенодиагностики / Н. Н. Потрахов, А. Ю. Грязнов, В. Б. Бессонов, К. К. Жамова, А. В. Ободовский // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2014. № 9. С. 29-37.

2. Потрахов Н. Н., Гук К. К., Бессонов В. Б. Контроль промышленных изделий методом микро- фокусной рентгенографии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89, № 3. С. 31-37. doi: 10.26896/1028-6861-2023-89-3-31-37

3. Баранов И. М., Холопова Е. Д., Атаян А. Ю. Способы фокусировки в трубках с прострельным анодом // 77-я науч.-техн. конф. Санкт-Петерб. НТО РЭС им. А.С. Попова, посвященная Дню радио: сб. докл. 2022. № 1 (77). С. 242-244.

4. Shape Design of Magnetic Circuit of the Magnetic Lens Based on Medial Axis Transform / H. Chen, Q. Dong, X. Liu, Z. Li // Micron. 2021. Vol. 145. Art. № 103057. doi: 10.1016/j.micron.2021.103057

5. Amer A., Ahmad K. First and third-order chromatic aberrations in Glaser magnetic lens for object magnetic immersion // Heliyon. 2023. Vol. 9, № 12. Art. № e22825. doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e22825

6. Musa S., Abbas T. Design and investigate the optical characteristics of single polepiece magnetics lenses. Materials Today: Proc. 2023. Vol. 80. P. 2307–2314. doi: 10.1016/j.matpr.2021.06.339

7. Practical design of the focusing system for transmission and reflection targets in X-ray sources / L. R. Zhao, Y. M. Cui, L. Y. H. Rui, W. X. Li, J. B. Liu, W. X. Zhao, P. F. Wang // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2024. Vol. 1067. Art. № 169655. doi: 10.1016/j.nima.2024.169655

8. Моделирование системы электромагнитной фокусировки электронного потока в микрофокусной рентгеновской трубке / М. В. Блудов, Е. Ю. Грачев, Е. А. Козлов, Э. Г. Кочергин, А. А. Сережин, А. А. Трубицын // Вестн. РязГРУ. 2024. № 88. С. 115-128. doi: 10.21667/1995-4565-2023-88-115-128

9. ГОСТ 21428–75. Провода эмалированные круглые медные с температурным индексом 155. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1987. 19 с.

10. Мазуров А. И., Потрахов Н. Н. О технологиях рентгеновских систем для контроля электронных компонентов // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2019. Т. 22, № 3. С. 113-121. doi: 10.32603/1993-8985-2019-22-3-113-121

11. Иванов С. А., Щукин Г. А. Рентгеновские трубки технического назначения. Л.: Энергоатомиздат, 1989. 200 с.

12. Microfocus X-ray sources. Hamamatsu. URL: https://www.hamamatsu.com/jp/en/product/light-andradiation-sources/microfocus-x-ray-source.html (дата обращения: 21.10.2025).

13. Микрофокусные трубки компании XRAY WorX. URL: https://www.x-ray-worx.com/products/microfocus-high-power-x-ray-tubes/ (дата обращения: 21.10.2025).

14. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. 2-е изд. М.: Энергия, 1977. 344 с.

15. Архипова Е. В., Руссова Н. В., Свинцов Г. П. Усовершенствованная методика проектного расчета броневых электромагнитов постоянного напряжения с внедряющимися якорями // Вестн. Чувашского ун-та. 2013. № 3. С. 156-161.

16. Архипова Е. В., Руссова Н. В., Свинцов Г. П. Расчет температуры нагрева форсированной двухобмоточной броневой магнитной системы постоянного напряжения // Электротехника. 2013. № 12. С. 3-5.

17. Айзен А. М., Выскирка А. С. Метод расчета длительно допустимого тока нагрузки самонесущих изолированных проводов // Электричество. 1992. № 10. С. 5-8.

18. Любчик М. А. Оптимальное проектирование силовых электромагнитных механизмов. М.: Энергия, 1974. 392 с.

19. Таев И. С. Электрические аппараты: общая теория. М.: Энергия, 1977. 272 с.

20. Hashemi Ali, Qaraei P., Shabanian M. Thermal Modelling of the Cylindrical Electromagnets in Transi-ent and Steady State Modes // COMPEL. 2023. Vol. 42, № 6. P. 1594 1608. doi: 10.1108/COMPEL-12-2022-0410

21. Гордон А. В., Сливинская А. Т. Электромагниты постоянного тока. М.: Госэнергоиздат, 1960. 445 с.

22. Залесский А. М. Электрические аппараты высокого напряжения. Л.: Госэнергоиздат, 1957. 540 с.