Микрофокусные рентгеновские трубки

Введение. Среди всех методов неразрушающего контроля изделий и материалов рентгеновский имеет особое значение за счет достаточно большого разрешения и в то же время высокой проникающей способности.

Цель работы. Рассмотрение ключевых особенностей микрофокусных источников рентгеновского излучения, областей их применения и основных технических характеристик.

Материалы и методы. При рассмотрении основных типов конструкции микрофокусных рентгеновских трубок (отпаяной и разборной) использовался опыт разработки и эксплуатации описываемого оборудования на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», а также опыт и публикации зарубежных исследователей и разработчиков из открытых источников. Анализировалась информация ведущих научно-исследовательских коллективов за последние 10 лет.

Результаты. Приведены особенности конструкции каждого типа. Рассмотрены все основные конструктивные узлы: анодный узел, катодный узел, фокусирующая система. Показано влияние материала мишени анода на спектр излучения рентгеновской трубки. Приведена оригинальная конструкция микрофокусной рентгеновской трубки с жидким анодом, показаны ее ключевые особенности и преимущества. Даны общие представления о используемых в микрофокусных рентгеновских трубках катодах (вольфрамовый катод и катод из гексаборида лантана), подробно проиллюстрированы особенности расчетов фокусирующих систем. Представлены конструкции современных рентгеновских трубок.

Заключение. Отмечено, что современные рентгеновские трубки являются высокотехнологичными изделиями, которые позволяют проводить исследования широкой номенклатуры объектов с высоким разрешением. Основным преимуществом контроля с применением микрофокусных рентгеновских трубок является высокая разрешающая способность (микронная и субмикронная). Приведены рентгенограммы тест-объектов, используемых для определения их пространственного разрешения, наглядно иллюстрирующие широкие возможности технологии. Кратко рассмотрены пути совершенствования микрофокусных рентгеновских трубок. Рассмотренные материалы будут полезны при выборе инструмента неразрушающего контроля, а также разработке и создании рентгеновских комплексов на основе микрофокусных рентгеновских трубок.

1. Потрахов Н. Н. Диагностические возможности микрофокусной рентгенографии // Мед. техника. 2014. № 5 (287). С. 8–12.

2. Метод повышения резкости и контрастности деталей рентгеновских изображений / А. Ю. Грязнов, К. К. Гук, Н. Е. Староверов, Е. Д. Холопова // Физические основы приборостроения. 2019. Т. 8, № 4 (34). С. 34–37. doi: 10.25210/jfop-1904-034037

3. New methods for digital processing of microfocus X-ray images / N. E. Staroverov, A. Yu. Gryaznov, N. N. Potrakhov, E. D. Kholopova, K. K. Guk // Biomedical Engineering. 2019. Vol. 52, № 6. P. 435–438. doi: 10.1007/s10527-019-09864-6

4. Подымский А. А., Потрахов Н. Н. Микрофокусные рентгеновские трубки нового поколения // Контроль. Диагностика. 2017. № 4. С. 4–8. doi: 10.14489/td.2017.04.pp.004-008

5. 0,2BPM64-200 microfocus X-ray tube for projection radiography / N. N Potrakhov, V. B. Bessonov, A. V. Obodovskii, A. Yu. Gryaznov, K. K. Zhamova, A. A. Podymskii, E. N. Potrakhov // Russian J. of Nondestructive Testing. 2017. Vol. 53, № 3. P. 227–230. doi: 10.1134/S106183091703007X

6. Prospects for the Use of X-Ray Tubes with a FieldEmission Cathode and a Through-Type Anode in the Range of Soft X-Ray Radiation / M. M. Barysheva, S. Y. Zuev, A. Y. Lopatin, V. I. Luchin, A. E. Pestov, N. N. Salashchenko, N. N. Tsybin, N. I. Chkhalo // Technical Physics. 2020. Vol. 65, iss. 11. P. 1726–1735. doi: 10.1134/S1063784220110043

7. Компактные источники рентгеновского излучения / В. А. Буртелов, А. В. Кудряшов, Е. П. Шешин, Худа Халид Хамид Маджма // Тр. МФТИ. 2019. Т. 11, № 2 (42). С. 116–155.

8. Design and numerical simulations of W-diamond transmission target for distributed X-ray sources /

9. P. Kandlakunta, A. Thomas, Y. Tan, R. Khan, T. Zhang // Biomedical Physics & Engineering Express. 2018. Vol. 5 (2). P. 1-12. doi: 10.1088/2057-1976/AAE55F

10. Ketelhut S., Büermann L., Hilgers G. Catalog of Xray spectra of Mo-, Rh-, and W-anode-based X-ray tubes from 10 to 50 kV // Physics in Medicine & Biology. 2021. Vol. 66, № 11. P. 1-13. doi: 10.1088/1361-6560/ABFBB2

11. High-brightness liquid-metal-jet X-ray tube / O. Hemberg, B. Hansson, M. Otendal, T. Tuohimaa // Acta Crystallographica Section A Foundations of Crystallography. 2011. Vol. 67. P. 257. doi: 10.1107/S0108767311093573

12. Hard X-ray photoelectron spectroscopy: a snapshot of the state-of-the-art in 2020 / C. Kalha, N. K. Fernando, P. Bhatt, F. O. L. Johansson, A. Lindblad, H. Rensmo, L. Z. Medina, R. Lindblad, S. Siol, L. P. H. Jeurgens, C. Cancellieri, K. Rossnagel, K. Medjanik, G. Schönhense, M. Simon, A. X. Gray, S. Nemšák, P. Lömker, Ch. Schlueter, A. Regoutz // J. of Physics: Condensed Matter. 2021. Vol. 33, № 23. P. 1-44. doi: 10.1088/1361-648X/abeacd

13. Quantification of image texture in X‐ray phase‐ contrast‐enhanced projection images of in vivo mouse lungs observed at varied inflation pressures / F. J. Brooks, S. P. Gunsten, S. K. Vasireddi, S. L. Brody, M. A. Anastasio // Physiological Reports. 2019. Vol. 7, iss. 16. P. 1-15. doi: 10.14814/phy2.14208

14. Real-time in vivo imaging of regional lung function in a mouse model of cystic fibrosis on a laboratory X-ray source / R. P. Murrie, F. Werdiger, M. Donnelley, Yu. Lin, R. P. Carnibella, Ch. R. Samarage, I. Pinar, M. Preissner, J. Wang, J. Li, K. S. Morgan, D. W. Parsons, S. Dubsky, A. Fouras // Scientific Reports. 2020. Vol. 10, iss. 1. P. 1-8. doi: 10.1038/s41598-019-57376-w

15. X-ray phase-contrast tomography for high-spatial-resolution zebrafish muscle imaging / W. Vågberg, D. Larsson, M. Li, H. Hertz // Scientific Reports. 2015. Vol. 5, iss.1. P. 1-7. doi: 10.1038/srep16625

16. Obodovskiy A. V., Bessonov V. B., Larionov I. A. Shift focal spot X-ray tube to the imposition anode under long exposure // J. of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 967. P. 1-4. doi: 10.1088/1742-6596/967/1/012010

17. A miniature X-ray tube / A. Haga, S. Senda, Y. Sakai, Y. Mizuta, S. Kita, F. Okuyama // Applied physics letters. 2004. Vol. 84, № 12. P. 2208–2210. doi: 10.1063/1.1689757

18. Heo S. H., Ihsan A., Cho S. O. Transmission-type microfocus X-ray tube using carbon nanotube field emitters // Applied physics letters. 2007. Vol. 90, № 18. P. 1-3. doi: 10.1063/1.2735549

19. Direct synthesis of carbon nanotube field emitters on metal substrate for open-type X-ray source in medical imaging / A. Prasad Gupta, S. Park, S. J. Yeo, J. Jung, Ch. Cho, S. Hyun Paik, H. Park, Yo. Chul Cho, S. H. Kim, J. H. Shin, Je. S. Ahn, Je. Ryu // J. Article. Materials. 2017. Vol. 10, № 8. P. 1-10. doi: 10.3390/ma10080878

20. An update on carbon nanotube‐enabled X‐ray sources for biomedical imaging / C. Puett, C. Inscoe, A. Hartman, J. Calliste, D. K. Francesci, J. Lu, O. Zhou, Y. Z. Lee // Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 2018. Vol. 10, iss. 1. P. 1-11. doi: 10.1002/wnan.1475

21. Ryu J. H., Bae N. Y., Oh H. M. Stabilized electron emission from silicon coated carbon nanotubes for a high-performance electron source // J. of Vacuum Science & Technology B. 2011. Vol. 29, № 2. P. 1-5. doi: 10.1116/1.3565428

22. Phase-contrast X-ray tomography of neuronal tissue at laboratory sources with submicron resolution / M. Eckermann, M. Töpperwien, A.-L. Robisch, F. Meer, Ch. Stadelmann, T. Salditt // J. of Medical Imaging. 2020. Vol. 7, iss. 1. P. 1-15. doi: 10.1117/1.JMI.7.1.013502

23. A novel laboratory-based hard X-ray photoelectron spectroscopy system / A. Regoutz, M. Mascheck, T. Wiell, S. K. Eriksson, C. Liljenberg, K. Tetzner, B. A. D. Williamson, D. O. Scanlon, P. Palmgren // Review of Scientific Instruments. 2018. Vol. 89, iss. 7. P. 1-10. doi: 10.1063/1.5039829

24. Application of operational radiographic inspection method for flaw detection of blade straightener from polymeric composite materials / A. N. Anoshkin, V. M. Osokin, A. A. Tretyakov, N. N. Potrakhov, V. B. Bessonov // J. of Physics: Conf. Series. 2017. Vol. 808. P. 1-5. doi: 10.1088/1742-6596/808/1/012003

25. X-Ray Computer Methods for Studying the Structural Integrity of Seeds and Their Importance in Modern Seed Science / M. V. Arkhipov, N. S. Priyatkin, L. P. Gusakova, N. N. Potrakhov, V. B. Gryaznov, A. V. Obodovskii, N. E. Staroverov // Technical Physics. 2019. Vol. 64. P. 582–592. doi: 10.1134/S1063784219040030

26. Comparative study of the fullness of dwarf Siberian pine seeds Pinus pumila (Pall.) Regel from places of natural growth and collected from plants introduced in northwestern Russia by microfocus X-ray radiography to predict their sowing qualities / A. Karamysheva, L. Trofimuk, N. Priyatkin, M. Arkhipov, L. Gusakova, P. Shchukina, N. Staroverov, N. Portakhov // Biological Communications. 2020. Vol. 65, № 4. P. 297–306. doi: 10.21638/spbu03.2020.403

27. A Case of Surgical Extraction of the Lower Third Molars in a Cranial Series from the Pucara de Tilcara Fortress (Jujuy Province, Argentina) / A. V. Zubova, O. L. Pikhur, A. V. Obodovskiy, A. A. Malyutina, L. M. Dmitrenko, K. S. Chugunova, D. V. Pozdnyakov, V. B. Bessonov // Archaeology, Ethnology and Anthropology of Eurasia. 2020. Vol. 48, № 2. P. 149–156. doi: 10.17746/1563-0110.2020.48.2.149-156