Page 130 - 《真空与低温》2025年第3期

刘丰源等：适用于微聚焦 X 射线源的微纳结构阳极钼靶热管理：热失稳机制及解决策略 401

以上结果表明，对于直径为 1 μm、厚度为 0.9 μm、 的最佳平衡，研究微纳结构阳极钼靶材的厚度 h
表面发射率为 0.5 的柱形钼微纳结构阳极靶材，在 从 0.9 μm 逐渐增加至 2.6 μm 的情况。2.6 μm 为能
能量为 40 keV 的电子束持续轰击下，靶材稳态温 量为 40 keV 的电子可以在钼材质内传输的最大射
[23]
度达到 Mo 材料熔点（2 896 K ）时对应的电子束 程 。当靶材超过该厚度后，电子束将无法产生有
[22]
2
激励电流密度约为 27.91 mA/cm ，如图 2（c）所示。 效的透射式 X 射线，且会因阳极材料的自吸收造
如果超过该值，靶材的温度将随着电子束的轰击快 成 X 射线辐射剂量的下降。
速升高，直到被熔化或损坏。 分别对不同靶材厚度在不同电流密度电子束

2.2 微纳结构阳极钼靶的结构参数优化及性能评估 的持续轰击下进行了瞬态热响应行为的建模计算，
为实现 X 射线辐射性能与靶材热稳定性之间 得到如图 3（a）～（d）所示的结果。

h=0.9 μm h=1.5 μm h=2.1 μm h=0.9 μm h=1.5 μm h=2.1 μm
h=1.2 μm h=1.8 μm h=2.4 μm h=1.2 μm h=1.8 μm h=2.4 μm
3 500 3 500
h=2.6 μm h=2.6 μm
温度/K 2 500 温度/K 2 500

1500 1500

J=10 mA/cm 2
500 J=1.6 mA/cm 2 500
0 5 10 15 20 0 5 10 15 20
时间/ms 时间/ms
（a）电流密度 J=1.6 mA/cm 2 （b）电流密度 J=10 mA/cm 2
h=0.9 μm h=1.5 μm h=2.1 μm
3 500 h=1.2 μm h=1.8 μm h=2.4 μm 3 500
h=2.6 μm
温度/K 2 500 温度/K 2 500 h=0.9 μm h=1.5 μm h=2.1 μm
h=1.2 μm
h=1.8 μm
h=2.4 μm
h=2.6 μm
1500 1500
J=16 mA/cm 2
J=100 mA/cm 2
500 500
0 5 10 15 20 0 5 10 15 20
时间/ms 时间/ms
（c）电流密度 J=16 mA/cm2 （d）电流密度 J=100 mA/cm 2
1.02 12
h=0.9 μm h=1.5 μm h=2.1 μm 0.99 10
4 000 h=1.2 μm h=1.8 μm h=2.4 μm
h=2.6 μm 熔点 T=2 000 K
3 500 2 0.96 8
温度/K 3 000 J=27.91 mA/cm X 射线辐射通量 (归一化) 0.93 6 有效焦斑尺寸/μm 2

J=61.88 mA/cm 2 2 896 K 0.90 4
2 500
0.87 2
J=14.14 mA/cm 2 在相同立体角下的 X 射线辐射通量
2 000 X 射线源的有效焦斑尺寸
2 000 K
0.84 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.9 1.6 2.0 2.4 2.6
电流密度/（mA·cm ） 微纳结构靶的厚度/μm
2
（e）电子束轰击使不同厚度的微纳结构阳极钼靶 （f）不同厚度微纳结构阳极钼靶后端 10 μm 处（对应辐射应用端）
升温后的稳态温度与电流密度的关系曲线 产生的X射线辐射剂量（黑色）和焦斑尺寸（红色）对比
图 3 不同厚度靶材厚度在不同电流密度的电子束持续轰击下微纳结构阳极钼靶的温度瞬态响应特征
Fig. 3 Transient temperature response characteristics of micro-nanostructured molybdenum anode targets with different
thicknesses under continuous electron beam bombardment at various current densities

由图可以看出，在同一电流密度下，靶材厚度 h 越大，靶材温度上升速率越慢，热平衡后达到的