Создание нового поколения перестраиваемых рентгеновских источников на основе мультичастотной рентгеновской трубки

1. Руководитель исследования: Дюжев Николай Алексеевич, к.ф.-м.н., директор Центра коллективного пользования «Микросистемная техника и электр

Создание нового поколения
перестраиваемых рентгеновских источников
на основе мультичастотной рентгеновской
трубки с полевым нанокатодом
Руководитель исследования:
Дюжев Николай Алексеевич, к.ф.-м.н., директор Центра
коллективного пользования «Микросистемная техника и
электронная компонентная база»
Организация:
федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования «Национальный
исследовательский университет «Московский институт
электронной техники»
Индустрия наносистем

2. Цели и задачи исследования

Цель:
разработка
перестраиваемых
основ
создания
рентгеновских
нового
источников
поколения
на
основе
мультичастотной рентгеновской трубки с полевым нанокатодом.
Актуальность: на сегодняшний день в различных областях науки и
техники
остро
рентгеновских
ощущается
источниках
необходимость
с
низким
в
миниатюрных
энергопотреблением
и
возможностью вариации частоты излучения.
Новизна: использовании комбинации прострельной рентгеновской
мишени и источника высокой интенсивности на основе полевого
нанокатода,
работающего
обеспечивается
в
импульсном
миниатюризация
режиме.
изделия,
При
этом
снижение
энергопотребления и дозы рентгеновского излучения.
14.578.21.0001
2

3. Цели и задачи исследования

Задачи:
проведение анализа литературных источников по тематике исследования;
разработка
топологии
микросистемного
катодного
узла
с
полевым
наноразмерным катодом и моделирование его работы;
разработка технологии изготовления микросистемного катодного узла с
полевым наноразмерным катодом;
разработка технологии изготовления электронно-оптической системы;
разработка
конструкторской
документации
на
экспериментальный
образец рентгеновского источника;
разработка
и
изготовление
стендов
для
исследования
параметров
образцов;
изготовление экспериментальных образцов рентгеновского источника;
проведение
исследовательских
испытаний
образцов
рентгеновского
источника.
14.578.21.0001
3

4. Блок-схема выполнения проекта

Национальный
исследовательский
университет «МИЭТ»
Проведение работ в соответствии с Планом-графиком
Моделирование
Разработка
Индустриальный партнер
ООО «МЭЛЗ»
Соисполнители
Технические характеристики
экспериментального образца
рентгеновского источника:
• рабочее напряжение от
30 до 40 кВ;
• потребляемая мощность
не более 3 Вт;
• катодный ток 75±5 мкА;
• габаритные размеры не
более 65±2 × 22±2 мм;
• размер фокусного пятна
не более 500 мкм;
• диапазон рабочих
температур: от минус 40
до + 85 °C.
Потенциальные
потребители
14.578.21.0001
Изготовление
Проведение исследовательских
испытаний
4

5. Описание исследования

Для
решения
поставленных
задач
использовались следующие подходы:
анализ
направлений
на
основе
данных
литературного и патентного обзоров;
разработка
для
физико-математических
анализа
распределения
моделей
электрического
поля, оценки величины электронной эмиссии,
анализа характера траектории эмитированных с
катода электронов, анализа зависимости ионной
бомбардировки
автоэмиссионных
катодов
от
параметров диода;
использование программных сред Solid Works,
COMSOL Multiphysics, Auto CAD, Siemens NX;
использование кремниевой технологии МЭМС
Траектории частиц при 30В на аноде и 30кВ на мишени
при изготовлении образцов;
разработка
документации
на проведение
экспериментальные образцы и стенды;
разработка
программ
и
экспериментальных исследований;
14.578.21.0001
исследований
методик
экспериментальных
тестовых
структур
и
экспериментальных образцов
на специальных стендах.
5

6. Описание исследования

Отличительной
особенностью
разработанного
технологического
маршрута является использование групповых операций кремниевой
технологии,
позволяющей
формировать
изделия
нано-
и
микросистемной техники на кремниевых пластинах диаметром 150 мм.
Разработанный технологический маршрут реализуем на большинстве
технологических
линий,
специализирующихся
на
изготовлении
МЭМС/ИС с проектными нормами от 0,8 до 0,35 мкм. Таким образом,
создан технологический задел, открывающий перспективы внедрения
изделий на базе полевых нанокатодов в серийное производство.
Часть работ по разработке и апробации технологий
производства выполняются силами индустриального
партнера
ООО
«МЭЛЗ»
(внебюджетное
финансирование) благодаря их опыту в производстве
электронно-лучевых
приборов,
проекционных
осциллографических
электронно-лучевых
комплектующих
для
электровакуумных
механических
деталей
для
и
трубок,
приборов,
радиотехнических
устройств.
14.578.21.0001
6

7. Результаты исследования

Результаты исследований тестовых образцов полевого нанокатода
Материал катода
99,9% Si
Радиус скругления эмитирующей части катода
от 9,7 нм до 10,5 нм
Плотность эмиссионного тока
от 5,1х106 А/см2 до 5,9х106 А/см2
Результаты исследовательских испытаний экспериментального
образца рентгеновского источника
Габаритные размеры
65 мм х 22 мм
Напряжение питания
37 кВ
Катодный ток
74,80 мкА
Потребляемая мощность
2,77 Вт
Размер фокусного пятна
439 мкм
Катодный ток после воздействия повышенных и
пониженных температур
75,2 мкА после воздействия температур
от минус 40 до + 85 °С
14.578.21.0001
7

8. Результаты исследования

80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,0015
ln(I/U2)
I, мкА
0,0016
0,0014
0,0013
0,0012
0,0011
0,001
1/U
U,кВ
Экспериментальная вольт-амперная
характеристика автоэмиссионного катода
Экспериментальная вольт-амперная
характеристика автоэмиссионного катода,
построенная в координатах ФаулераНордгейма
Временная зависимость катодного тока экспериментального образца
рентгеновского источника
14.578.21.0001
8

9. Результаты исследования

Внешний вид закрепленных
тестовых образцов полевого
нанокатода и экспериментального
образца рентгеновского источника
с оснасткой
Работа на стенде для проведения
Работа на стенде для исследования
исследовательских испытаний
характеристик тестовых образцов
рентгеновского источника
полевого нанокатода
Сопоставление полученных результатов с разработками мирового уровня
Характеристики
Рабочее напряжение, кВ
Потребляемая
мощность, Вт
Размер фокусного
пятна, мкм
Объект разработки
30 - 40
3
500
ТОО «Ангстрем»
10 - 40
5
30
14.578.21.0001
9

10. Практическая значимость исследования

Миниатюрные
рентгеновские
источники
востребованы
в
целом
ряде
практических применений, в том числе:
o в оборудовании для рентгенофлуоресцентного анализа (для различных
применений от охраны окружающей среды, минералогии, металлургии,
химической
индустрии
до
археологии,
сельского
хозяйства
и
криминалистики),
o в медицинской технике (в т.ч. в мобильных рентгеновских аппаратах,
например дентальных рентгенаппаратах),
o в системах безопасности и противодействия терроризму (в качестве
безвредной замены радиоактивным источникам для ионизации газов при
создании чувствительной аппаратуры обнаружения взрывчатых веществ).
Таким
образом,
следует
ожидать
появления
растущего
спроса
на
миниатюрные рентгеновские трубки малой мощности.
14.578.21.0001
10

11. Практическая значимость исследования

В настоящее время проводятся исследования в федеральном государственном
автономном
образовательном
«Национальный
учреждении
исследовательский
высшего
университет
образования
«Московский
институт
электронной техники»: по комбинации локального экспонирования подложки
излучением рентгеновского источника и процессов АС ХОГФ (ALD) для
реализации
аддитивной
технологии
(3D-печати)
для
формирования
топологических элементов функциональных слоев (ФС) в зависимости от вида
реагентов, поверхности осаждения и длины волны.
Исследование технического уровня и тенденций развития технологии
изготовления
электронно-оптических
систем
рентгеновских
источников показало, что работы в этой области перспективны и
актуальны и соответствуют мировому уровню.
14.578.21.0001
11

12. Практическая значимость исследования

С ростом чувствительности рентгеновских сенсоров, потребителям становятся
необходимы рентгеновские трубки малой и сверхмалой мощности (единицы
Ватт), относительно низковольтные (напряжение порядка 10 кВ), поскольку
такой рентгеновский источник, особенно работающий в импульсном режиме,
практически безвреден для человека.
Потенциальны потребители результатов проекта:
ООО «МЭЛЗ».
ООО «НПП Видеоэлектроника».
АО «Зеленоградский инновационно-технологический центр».
ЗАО Светлана-рентген.
ЗАО «Инновационный центр «Бирюч».
ООО «Микрохирургический офтальмологический инструмент».
ООО ГК «Консенсус».
14.578.21.0001
12

13. Спасибо за внимание!

Докладчик:
Дюжев Николай Алексеевич, директор Центра коллективного пользования
«Микросистемная техника и электронная компонентная база»
[email protected], 8-916-624-10-51
Исследование выполнено в рамках федеральной целевой
программы «Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технологического комплекса
России на 2014—2020 годы»
Результаты исследования представлены на стенде
14.578.21.0001
13

14. Концептуальная модель рентгеновского источника

Автоэмиссионный катод и прострельная мишень, совмещенная с
кремниевым рентгеновским окном.
Толщина
пленок
для
эффективной
генерации излучения:
0.25 мкм (вольфрам);
0.13 мкм (молибден).
Кремниевая мембрана толщиной
1-2 мкм:
прозрачна
для
рентгеновского
излучения в диапазоне длин волн до
1.6 нм;
обладает
достаточной
прочностью
порядка
2
использовать
к
механической
перепаду
атм.
давлений
(что
позволяет
в
качестве
ее
рентгеновского окна).
14.578.21.0001
14

15. Концептуальная модель рентгеновского источника

Зависимость
интенсивности
характеристической
от
толщины
пленки
мишени, изготовленной из молибдена.
14.578.21.0001
Зависимость
интенсивности
характеристической
от
толщины
пленки
мишени, изготовленной из вольфрама.
15

16. Состояние выполнения запланированных индикаторов

Показатель
За 2016 г.
запланировано
фактически
зачтено на
текущий момент
3
5
1
2
2
1
Число публикаций по результатам исследований и
разработок в научных журналах, индексируемых в базе
данных Scopus или в базе данных WEB of Science
Число патентных заявок, поданных по результатам
исследований и разработок, не менее
Публикация, авторы
V. L. Garmash, N.A. Djuzhev, E.P. Kirilenko, M.A. Makhiboroda, D.M. Migunov
«Experimental Determination of the Energy Dependence of Electron Inelastic Mean
Free Path in Silicon Oxide and Silicon Nitride»
N. Dyuzhev, E. Gusev, A. Dedkova, N. Patiukov «Determination of mechanical stress
in the silicon nitride films with a scanning electron microscope»
G. D. Demin, E. E. Gusev, A. F. Popkov, P.A. Stepanov, N.A. Djuzhev «Compact
HSPICE Model of Magnetic Tunnel Junction Based on Voltage-Driven Spin-Transfer
Torgue»
Н. А. Дюжев, Е. Э. Гусев, Г. Д. Демин, А. А. Дедкова, Р. Ю. Преображенский
Разработка и исследование концептуальной модели рентгеновского источника с
автоэмиссионным катодом
T. A. Gryazneva, G. D. Demin, N. A. Dyuzhev, M. A. Makhiboroda, V. E. Skvorcov
«Development and research of multi-frequency x-ray tube with a field nanocathode»
Журнал
Journal of the Surface
Investigation: X-ray,
Synchrotron and Neutron
Techniques
Proc. of SPIE
SIBCON 2016, IEEE
Journal of the Surface
Investigation: X-ray,
Synchrotron and Neutron
Techniques
Сборник по результатам
конференции «ИиР2016»
Результаты интеллектуальной деятельности
Т. А. Грязнева, Е. Э. Гусев, Н.А. Дюжев Программа расчета величины плотности заряда в диэлектрической
пленке методом вольт-фарадных характеристик
Н.А. Дюжев, М.А. Махиборода, Е. Э. Гусев Топология катодно-сеточного узла
14.578.21.0001
16