Page 131 - 《真空与低温》2025年第3期

402 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

稳态温度也越低，即具有更好的温度稳定性。通过 所示，即使是最佳厚度（h = 2.6 μm）的微纳结构钼
上述结果可以确定，在保证 X 射线辐射质量的前 靶，在持续受到电子束轰击时也仅能承受 14.14 mA/
提下，微纳米钼靶的最佳厚度参数约为 2.6 μm。该 cm 的电流密度。
2
厚度不仅显著提高了靶材的热稳定性能（图 3（e））， 为突破这一限制，本文提出了一种创新的散热
同时也满足实现 X 射线高辐射通量和小焦斑尺寸 方案：采用旋转式组合靶结构，在靶材不受电子束
的要求（图 3（f））。 轰击期间提供充分的散热时间。如图 4（a）所示，

2.3 进一步提升靶材可承载电子束流密度的方法 该设计在旋转的钼转子上通过钨针焊接多个几何
仅借助针对单个独立微纳结构靶所开展的结构 尺寸相同的微纳结构钼靶，使其交替接受周期为
设计，来实现 X 射线辐射性能与热稳定性之间平 0.2 ms、持续脉宽为 0.1 ms、占空比为 50% 的电子
衡的效率或许极为有限。根据钼的熔点（2 896 K）， 束轰击。当 8 个 h = 2.6 μm 厚度的微纳结构钼靶交替
将靶材可以安全工作的临界温度设置为 2 000 K。 受激时，在 100 mA/cm 的电子束密度下，即使仅
2
从图 2 可以看出，当电子束电流密度为 100 mA/cm 2 依靠对环境的辐射散热，也能将靶材温度维持在

时，h = 0.9 μm 厚度的单个钼结构在电子束轰击仅 2 000 K 以，如图 4（b）所示，这表明该设计在中等电
仅 0.1 ms 后，靶材温度就已经快速达到了 2 000 K 流密度下具有良好的散热效果。
4
以上，升温速率更是达到了 10 K/ms 以上。如图 3（e）

NHC: 无额外热传导; WHC: 有额外热传导
热传导 : 1~7
电子枪 热辐射 : 0~7 电子束 通孔 2 000 3 000 WHC
NHC
2 500
X-ray
温度/K 1 500 温度/K 2 000
可旋 1 000 1 500
转转
子
x 1 000
钨针 500
z 0~7: 微纳 500
y 结构阳极靶 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10
时间/ms 时间/ms
（a）钼微纳结构阳极组合靶的 （b）厚度为 2.6 μm 的微纳结构组合 （c）厚度为 2.6 μm 的微纳结构组合钼靶在
交替受激示意图 钼靶的靶材温度与时间关系 不同散热方式下的靶材温度与时间
曲线（J=100 mA/cm ） 关系曲线（ J=282.28 mA/cm ）
2
2
NHC: 无额外热传导; WHC: 有额外热传导 300
−2
2 000 NHC, h=0.9 μm （2.6 μm, 282.28 mA·cm ）
1 800 实线: NHC NHC, h=1.2 μm
NHC, h=1.5 μm
1 600 虚线: WHC
NHC, h=1.8 μm
1 400 NHC, h=2.1 μm 250
NHC, h=2.4 μm （mA·cm −2 ）
1 200
NHC, h=2.6 μm
WHC, h=0.9 μm
1 000 −14.6 K/ms WHC, h=1.2 μm
平均速度
温度/K 800 WHC, h=1.5 μm 电流密度/ 200
WHC, h=1.8 μm
WHC, h=2.1 μm
WHC, h=2.6 μm
600 −3.9×10 7 K/ms −4.7×10 6 K/ms 平均速度 WHC, h=2.4 μm 150
平均速度
平均速度
（0.9 μm, 97.70 mA·cm ）
−19.0 K/ms
−2
400 100
t=4.1×10 −5 ms t=3.4×10 −4 ms t=84 ms t=110 ms 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
微纳结构靶的厚度/μm
10 −7 10 −6 10 −5 10 −4 10 −6 10 −2 10 −1 10 0 10 1 10 2 10 3
时间/ms （e）不同厚度靶材受电子束轰击 0.1 ms 且温度达到
（d）不同厚度靶材散热过程的温度瞬态响应 2 000 K 时对应的可承载阴极电子束电流密度
图 4 提升微纳结构阳极钼靶耐电流密度能力的热管理策略
Fig. 4 Thermal management strategy for enhancing current density endurance of micro-nanostructured molybdenum anode targets

若要更进一步地提高电流密度，则需要引入额 历 0.1 ms 的电子束轰击和随后 1.5 ms 的接触传热
外的散热途径，这里通过旋转钼靶转至一个大体积 冷却过程。图 4（c）中的橙色线表示仅通过环境辐
铜底座后的接触传热来实现散热。图 4（c）展示了 射散热的情况，而蓝线则显示了采用接触传热散热
2
在 282.28 mA/cm 的电子束电流密度下，交替受激 方式时的降温过程。计算表明，只需在 1.5 ms 的冷
的微纳结构靶材的循环温度变化，其中每个靶材经 却时间即可将温度降至室温附近，这得益于铜底座