Page 132 - 《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 403

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优异的导热系数（401 W/（m∙K） ）。不考虑接触热 medical X-ray imaging[J]. Analytical Chemistry，2023，95（1）：
阻时的计算结果，如图 4（d）所示，微纳结构钼靶能 33−48.
在亚微秒级内将靶材温度迅速降至 400 K 以下，降 [4] SAKURAI H， SUZUKI K， ISHII S， et al. Development of
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温速率可达 4.7×10 ～3.9×10 K/ms（图中虚线），这 non-destructive testing （NDT） technique for HIPed inter-
比仅依靠环境辐射的平均降温速率（图中实线， face by Compton scattering X-ray spectroscopy[J]. Nuclear
14.6～19 K/ms）提高了数个数量级，图中灰线为平 Materials and Energy，2022，31：101171.
均降温速率的计算区间，彩色实线为仅对应环境热 [5] DYUZHEV N A，DEMIN G D，GRYAZNEVA T A，et al.
辐射的情况，彩色虚线为对环境辐射的同时伴有接 Microfocus X-ray tubes with a silicon autoemission nanoca-
触热传导散热的情况。 thode as an X-ray source[J]. Bulletin of the Lebedev Physics
上述数值分析结果表明，这种旋转式散热系统 Institute，2018，45：1−5.
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能使微纳结构阳极靶承受高达 282.28 mA/cm 的电 [6] FRYDRYCH A， JUROWSKI K. Portable X-ray fluores-
子束电流密度（图 4（e）），同时可保证靶材的工作温 cence （pXRF） as a powerful and trending analytical tool for
度始终低于 2 000 K。这比 0.9 μm 厚度微纳结构旋 in situ food samples analysis：A comprehensive review of ap-
转钼靶的电流承载能力（97.7 mA/cm ）显著提高，更 plication - state of the art[J]. TrAC Trends in Analytical
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Chemistry，2023，166：117165.
相比单个微纳结构靶材的电流承载能力（见图 2（c），
约为 6.35 mA/cm ）提升了约 44.45 倍。这意味着改 [7] HALLS B R，GORD J R，SCHULTZ L E，et al. Quantitative
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进后的散热方案可提供更高的 X 射线辐射剂量及 10-50 kHz X-ray radiography of liquid spray distributions us-
亮度。 ing a rotating-anode tube source[J]. International Journal of

Multiphase Flow，2018，109：123−130.
3 结论
[8] LI X，WANG X，LI Y，et al. Production and heat properties
本研究针对透射式 X 射线用的微纳结构阳极 of an X-ray reflective anode based on a diamond heat buffer
钼靶材在高能电子束轰击下的极端工况，建立了热 layer[J]. Materials，2020，13（1）：241.
响应行为分析模型并开展了数值模拟。通过优化 [9] LIN C H，WU C H，HSIAO C Y，et al. Physical characteris-
几何参数，确定了圆柱形微纳结构钼靶材 1 μm 直 tics of the novel transmission-target X-ray equipment for kilo-
径、2.6 μm 厚度的最佳尺寸，在保持高亮度、高空 voltage radiation therapy applications[J]. Radiation Physics
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间聚焦性的同时，可承受 14.14 mA/cm 的电子束电 and Chemistry，2022，197：110182.
流密度。提出了改进的散热方案：采用旋转式组合 [10] AVACHAT A V，TUCKER W W，GIRALDO C H C，et al.
靶结构，在靶材不受电子束轰击期间提供充分的散 Looking inside a prototype compact X-ray tube comprising
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热时间。研究结果表明：该设计在 100 mA/cm 的 CNT-Based cold cathode and transmission-type anode[J].
电流密度下仅通过辐射散热即可保持热稳定；而在 Radiation Research，2020，193（5）：497−504.
进一步引入接触传热方式后，可承受 282.28 mA/cm 2 [11] IHSAN A，HEO S H，CHO S O. A microfocus X-ray tube
电流密度的 40 keV 电子束轰击，较优化前的单个 based on a microstructured X-ray target[J]. Nuclear Instru-
微纳结构钼靶提升了 44.45 倍。研究结果揭示了微 ments and Methods in Physics Research Section B-Beam
纳结构钼靶的热失稳机理，并提出了有效的热管理 Interactions with Materials and Atoms， 2009， 267： 3566−
策略，为高性能微聚焦 X 射线源的开发提供了新 3573.
思路。 [12] SHEN Y，LIU F，DENG S，et al. An anodic target develop-

ing strategy for micro-focal X-rays：Enhancing and tuning
参考文献：
effects of molybdenum nanostructures on radiation proper-
[1] WITTE M. Measurement of coating thickness with X-ray ties[EB/OL]. [2024−10−20]. https://ssrn.com/abstract=4928
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ic perovskites：Principles and applications[J]. Applied Physics ray tube based on a point-like target used for micro-comput-
Reviews，2022，9（2）：1−82. ed tomography[J]. PLoS ONE，2016，11（6）：1−12.
[3] WU Q， ZHENG Q， HE Y， et al. Emerging nanoagents for [14] HUBBELL J H，SELTZER S M. Tables of X-ray mass at-