Page 127 - 《真空与低温》2025年第3期

398 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

num anode targets was proposed. This strategy significantly enhances heat dissipation efficiency through an innovative rota-
tional mechanism design. Theoretical calculations indicate that by introducing additional heat dissipation pathways，this struc-
2
ture can withstand electron beam bombardment with current densities up to 282.28 mA/cm ，representing a 44.45-fold perfor-
mance improvement compared to single micro-nanostructured molybdenum targets. These research findings provide crucial
theoretical guidance and innovative insights for developing next-generation high-performance transmission-type microfo-
cused X-ray sources，potentially advancing related technologies in high-precision applications. Furthermore，the thermal man-
agement strategy proposed in this study serves as a valuable reference for the thermal design of other high-power micro-nan-
odevices.
Key words：X-ray；microfocus；anode target；molybdenum micro-nanostructure；thermal management

0 引言 的综合性能。这些研究将为提高透射式微纳结构

X 射线已广泛应用于材料分析 [1-2] 、生物医学 靶材器件的热稳定性提供新的设计思路，有助于
[3]
成像 和无损检测 [4-6] 等领域。阳极靶材是 X 射线 突破微聚焦 X 射线源中阳极靶材电流承载密度的
限制。
源器件的核心部件之一，可分为透射式和反射式两
大类。反射式靶具有较好的散热能力和器件输出 1 理论基础
功率 [7-8] ，但存在“heel effect”现象 ，无法满足高精
[9]
在高能电子束的激发下，微纳结构阳极钼靶在
度的辐射输出需求。相比之下，透射式阳极靶具有
产生 X 射线辐射输出的同时，会经历复杂的热过
更好的 X 射线输出对称性，不受“heel effect”影响，
程。电子束轰击至靶材表面时，将其动能转化为热
[9]
适合高分辨率成像等应用 。此外，透射式靶体积
能输入靶材内部，同时靶材又将部分热量以辐射的
小，有利于制作微型 X 射线器件并直接提供微聚
形式散发到环境中。靶材的瞬态温升由输入功率
焦的 X 射线 。近年来，微纳加工技术的进步为优
[10]
和输出功率的动态平衡决定。这里，为阐明相关机
化透射式 X 射线器件结构提供了新机遇。通过设
理，分别建立了针对电子束功率输入、靶表面辐射
计微纳结构靶的尺寸及形貌，可提高 X 射线发射
和复合热传导的理论模型。
效率，获得微纳米级焦斑尺寸和更高亮度 [11-13] 。然
1.1 电子束的输入功率
而，靶材结构的微纳小型化也降低了热传导性和有
当电子束以电流密度 J，在加速电压 U 作用下
效散热面积，加剧了靶材的热不稳定性，影响 X 射
轰击到底面积为 A bottom的阳极靶材时，电子束激励
线源器件的最大输出功率和使用寿命。因此，微纳
对阳极靶的输入功率 P in为：
结构阳极靶的优化设计需要权衡 X 射线辐射性
（1）
能和热稳定性。钼作为 X 射线管阳极靶材具有 P in = UJA bottom
由式（1）可见，电子束的电流密度和电压越大，
高熔点和良好的导热性，能在高功率下保持稳定
输入功率 P in越高，意味着靶材所受热负荷越重。
性，延长 X 射线管的使用寿命 。其 Kα 特征射线
[14]
考虑到它们同时也直接决定了产生 X 射线的辐射
（17.4 keV）在医学影像和材料分析中具有独特优
能量和剂量，合理控制这两个参数对于维持靶材的
势，如在乳腺 X 射线检查中提供良好的软组织对比
热稳定性至关重要。
度 ，以及在 X 射线荧光分析（XRF）、X 射线吸收
[15]
1.2 靶表面辐射
光谱（XAS）和 X 射线衍射（XRD）等领域获得了广
泛应用 [16-18] 。 对于微纳结构金属阳极靶，其对环境的热辐射
功率 P out1 可根据斯特芬-玻尔兹曼定律计算 :
[19]
在深入研究透射式微聚焦 X 射线源的微纳结
( 4 4 )
构阳极钼靶的基础上，综合考量了 X 射线源聚焦 P out1 = ϵσA surface T −T 0 （2）
性、亮度、辐射效率以及热稳定性等多个关键性能 式中： ϵ为金属靶表面的辐射发射率； σ为斯特芬-
指标，提出一种全面且系统的阳极靶结构设计与优 玻尔兹曼常数； A surface 为辐射表面积； 和 T 0分别为
T
化方法。本文将建立热传导理论模型分析高能电 阳极靶表面和环境的绝对温度。这里，表面发射率
子束轰击下靶材的热响应行为及其失稳机理，通过数 ϵ代表了阳极靶表面热辐射能力，取决于靶材的表
值模拟探索微纳结构钼靶的最优化设计方案，并进 面成分和结构等因素。对于表面未经抛光的钼材
一步研究创新性的器件热管理策略，以提升阳极靶 料， ϵ通常在 0.2～0.5 内，而经过氧化处理后， ϵ可接