On possibility of high frequency electron beam scanning with application of focusing system for X-ray generation
The article describes the electron beam scanning system in combination with electromagnetic focusing system. These systems find their application in different vacuum tube devices that provide the generation of X-ray radiation. Similar systems can be utilized in such fields as medicine, industry an...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80273 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | On possibility of high frequency electron beam scanning with application of focusing system for X-ray generation / T.V. Bondarenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 3. — С. 147-149. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80273 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Bondarenko, T.V. 2015-04-14T06:11:47Z 2015-04-14T06:11:47Z 2014 On possibility of high frequency electron beam scanning with application of focusing system for X-ray generation / T.V. Bondarenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 3. — С. 147-149. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 41.85.-p, 41.75.-i, 07.77.Ka https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80273 The article describes the electron beam scanning system in combination with electromagnetic focusing system. These systems find their application in different vacuum tube devices that provide the generation of X-ray radiation. Similar systems can be utilized in such fields as medicine, industry and defectoscopy. Electron tube system can be based on thermal or field emission cathodes. Scanning system is built up on two pair of electrical deflecting dipoles. The scanning can also be based on magnetic deflecting system. Beam focusing is achieved by the geometrical features of electrodes structure and electron lenses. Magnetic focusing can also be used for transversal focusing of the beam. The article describes the schemes of the unit with electron beam scanning and different methods of realization. Beam dynamics investigation in electromagnetic fields of the unit is considered. Описывается система сканирования электронного пучка в комбинации с системой электромагнитной фокусировки. Такая система находит применение в различных электровакуумных приборах, осуществляющих генерацию рентгеновского излучения. Подобные приборы могут быть использованы в таких областях, как медицина, индустрия и дефектоскопия. Электровакуумная система может быть основана на термоили автоэмиссионном катоде. Система сканирования выполняется на основе двух пар электрических отклоняющих диполей. Также сканирование может быть осуществлено за счет магнитной системы. Фокусировка пучка выполняется за счет геометрических особенностей строения электродов и электронных линз и на магнитной системе фокусировки для обеспечения поперечного сжатия пучка до субмиллиметровых размеров. Приводятся схемы установки со сканированием электронного пучка и различные методы их реализации. Рассматривается динамика пучка электронов в электромагнитных полях системы. Описується система сканування електронного пучка в комбінації з системою електромагнітного фокусування. Така система знаходить застосування в різних електровакуумних приладах, що здійснюють генерацію рентгенівського випромінювання. Подібні прилади можуть бути використані в таких областях, як медицина, індустрія і дефектоскопія. Електровакуумна система може бути заснована на термоабо автоемісійному катоді. Система сканування виконується на основі двох пар електричних диполів, що відхиляють. Також сканування може бути здійснене за рахунок магнітної системи. Фокусування пучка виконується за рахунок геометричних особливостей будови електродів і електронних лінз і на магнітній системі фокусування для забезпечення поперечного стискнення пучка до субміліметрових розмірів. Наводяться схеми установки із скануванням електронного пучка і різні методи їх реалізації. Розглядається динаміка пучка електронів в електромагнітних полях системи. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Динамика пучков On possibility of high frequency electron beam scanning with application of focusing system for X-ray generation Возможности высокочастотного сканирования электронного пучка с системой фокусировки для генерации рентгеновского излучения Можливості високочастотного сканування електронного пучка з системою фокусування для генерації рентгенівського випромінювання Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
On possibility of high frequency electron beam scanning with application of focusing system for X-ray generation |
| spellingShingle |
On possibility of high frequency electron beam scanning with application of focusing system for X-ray generation Bondarenko, T.V. Динамика пучков |
| title_short |
On possibility of high frequency electron beam scanning with application of focusing system for X-ray generation |
| title_full |
On possibility of high frequency electron beam scanning with application of focusing system for X-ray generation |
| title_fullStr |
On possibility of high frequency electron beam scanning with application of focusing system for X-ray generation |
| title_full_unstemmed |
On possibility of high frequency electron beam scanning with application of focusing system for X-ray generation |
| title_sort |
on possibility of high frequency electron beam scanning with application of focusing system for x-ray generation |
| author |
Bondarenko, T.V. |
| author_facet |
Bondarenko, T.V. |
| topic |
Динамика пучков |
| topic_facet |
Динамика пучков |
| publishDate |
2014 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Возможности высокочастотного сканирования электронного пучка с системой фокусировки для генерации рентгеновского излучения Можливості високочастотного сканування електронного пучка з системою фокусування для генерації рентгенівського випромінювання |
| description |
The article describes the electron beam scanning system in combination with electromagnetic focusing system.
These systems find their application in different vacuum tube devices that provide the generation of X-ray radiation.
Similar systems can be utilized in such fields as medicine, industry and defectoscopy. Electron tube system can be
based on thermal or field emission cathodes. Scanning system is built up on two pair of electrical deflecting dipoles.
The scanning can also be based on magnetic deflecting system. Beam focusing is achieved by the geometrical features
of electrodes structure and electron lenses. Magnetic focusing can also be used for transversal focusing of the
beam. The article describes the schemes of the unit with electron beam scanning and different methods of realization.
Beam dynamics investigation in electromagnetic fields of the unit is considered.
Описывается система сканирования электронного пучка в комбинации с системой электромагнитной фокусировки. Такая система находит применение в различных электровакуумных приборах, осуществляющих генерацию рентгеновского излучения. Подобные приборы могут быть использованы в таких областях, как медицина, индустрия и дефектоскопия. Электровакуумная система может быть основана на термоили автоэмиссионном катоде. Система сканирования выполняется на основе двух пар электрических отклоняющих диполей. Также сканирование может быть осуществлено за счет магнитной системы. Фокусировка пучка выполняется за счет геометрических особенностей строения электродов и электронных линз и на магнитной системе фокусировки для обеспечения поперечного сжатия пучка до субмиллиметровых размеров. Приводятся схемы установки со сканированием электронного пучка и различные методы их реализации. Рассматривается динамика пучка электронов в электромагнитных полях системы.
Описується система сканування електронного пучка в комбінації з системою електромагнітного фокусування. Така система знаходить застосування в різних електровакуумних приладах, що здійснюють генерацію рентгенівського випромінювання. Подібні прилади можуть бути використані в таких областях, як медицина, індустрія і дефектоскопія. Електровакуумна система може бути заснована на термоабо автоемісійному катоді. Система сканування виконується на основі двох пар електричних диполів, що відхиляють. Також сканування може бути здійснене за рахунок магнітної системи. Фокусування пучка виконується за рахунок геометричних особливостей будови електродів і електронних лінз і на магнітній системі фокусування для забезпечення поперечного стискнення пучка до субміліметрових розмірів. Наводяться схеми установки із скануванням електронного пучка і різні методи їх реалізації. Розглядається динаміка пучка електронів в електромагнітних полях системи.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80273 |
| citation_txt |
On possibility of high frequency electron beam scanning with application of focusing system for X-ray generation / T.V. Bondarenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 3. — С. 147-149. — Бібліогр.: 3 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT bondarenkotv onpossibilityofhighfrequencyelectronbeamscanningwithapplicationoffocusingsystemforxraygeneration AT bondarenkotv vozmožnostivysokočastotnogoskanirovaniâélektronnogopučkassistemoifokusirovkidlâgeneraciirentgenovskogoizlučeniâ AT bondarenkotv možlivostívisokočastotnogoskanuvannâelektronnogopučkazsistemoûfokusuvannâdlâgeneracíírentgenívsʹkogovipromínûvannâ |
| first_indexed |
2025-11-27T04:08:00Z |
| last_indexed |
2025-11-27T04:08:00Z |
| _version_ |
1850795689562341376 |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №3(91) 147
ON POSSIBILITY OF HIGH FREQUENCY ELECTRON BEAM
SCANNING WITH APPLICATION OF FOCUSING SYSTEM
FOR X-RAY GENERATION
T.V. Bondarenko
OOO “Siemens”, Moscow, Russia
E-mail: taras.bondarenko@siemens.com
The article describes the electron beam scanning system in combination with electromagnetic focusing system.
These systems find their application in different vacuum tube devices that provide the generation of X-ray radiation.
Similar systems can be utilized in such fields as medicine, industry and defectoscopy. Electron tube system can be
based on thermal or field emission cathodes. Scanning system is built up on two pair of electrical deflecting dipoles.
The scanning can also be based on magnetic deflecting system. Beam focusing is achieved by the geometrical fea-
tures of electrodes structure and electron lenses. Magnetic focusing can also be used for transversal focusing of the
beam. The article describes the schemes of the unit with electron beam scanning and different methods of realiza-
tion. Beam dynamics investigation in electromagnetic fields of the unit is considered.
PACS: 41.85.-p, 41.75.-i, 07.77.Ka
INTRODUCTION
Electron guns are widely used in different applica-
tions fields nowadays. One of them is vacuum tube de-
vices that incorporate diode or triode system for X-ray
generation better known as X-ray tubes. X-ray tubes are
used in a lot of applications such as defectoscopy, in-
dustry, medical, veterinary, crystallography and many
others. In most of the tubes stationary electron beams
with pretty large focal spot sizes are used. This allows
using the simplified conventional unit geometry.
Despite this fact for some applications smaller spot
sizes are required to acquire high spatial resolution of
the emitted X-ray radiation in order to provide the high
resolution images [1]. This requirement can be satisfied
by applying additional focusing electrode to the X-ray
tube scheme.
Another idea lies in the possibility to perform elec-
tron beam scanning along the anode surface. This solu-
tion can be exploited to enhance the anode loading rate
and let the anode to hold higher beam powers. This cor-
respondingly will enhance the X-ray radiation intensity.
These two ideas can be accomplished by the X-ray tube
design that is schematically represented in this paper.
1. X-RAY TUBE DESIGN
The X-ray tube design can be based on various types
of cathodes such as thermal sources (filaments, dis-
penser cathodes or lanthanum hexaboride cathodes) or
field emission cathodes (pin or CNT cathodes). The
difference between the designs of the X-ray tubes based
on such cathodes lies in the cathode electrode scheme
modification. All other components of the X-ray tube
are saved untouched.
For example in this paper the dispenser cathode X-
ray tube was considered to overview the generic
scheme. The X-ray tube design is presented on the
Fig. 1. On the figure: 1 – dispenser cathode; 2 – cathode
cup (Wehnelt electrode); 3 – focusing electrode; 4 –
anode; 5 – deflecting electrodes; 6 – dielectric spacers
and holders.
Cathode is formed on the round dispenser cathode
with the spherical cut-off for forming of the initial beam
convergence. The Wehnelt electrode is made on the
cylindrical design with the chamfering of the inner
edge. Focusing electrode is designed with the overhang-
ing part towards the cathode area that is very similar to
the anode in Pierce type gun conventional design [2].
The difference consists in the fact that the focusing elec-
trode is made with constant width all over the geometry
and beam have no need to travel through the metal
channel with the lack of focusing E field. The chamfer
of the focusing electrode edge close to cathode is made
to eliminate the collision of the electron beam particles
that travel from the side farts of the cathode.
Two pairs of deflecting electrodes are placed after
the focusing electrode to provide the electron beam
scanning along the anode surface. Scanning motion can
be also provided by the magnets placed in much the
same way as electrodes but in current consideration only
electrical deflecting system is considered due to low
dimensions of such system. The electrodes are fixed on
the dielectric chucks for high electrical isolation from
each other and other adjacent metal elements. Each pair
provides transverse deflection of the beam along one of
the axes.
Fig. 1. Generalized X-ray tube design
The chamfer widths and angles of the focusing elec-
trode and Wehnelt electrode are the main geometrical
parameters that allow optimization of the electron beam
focal plane and size. The electrical potentials of the
Wehnelt electrode and the focusing electrode are the
two electrical parameters varying the electron beam
focal spot parameters.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №3(91) 148
2. MODELING
First step of the modeling was to acquire the maxi-
mum stationary beam focusing in the predefined sizes of
the X-ray tube geometry. The desired electron beam
energy was taken 150 keV, maximal of the working
parameter values used in the applications listed above.
The cathode radius is 5 mm that allows acquisition of
the emitting currents up to ampere level [3]. Cathode-
anode distance is 30 mm that allows the unit to operate
without discharge threat. The potential set on the scan-
ning electrodes must be equal to the potential of the free
space in their location position that is approximately
equal to the mean value of potential between the focus-
ing electrode and the anode. More precisely it is defined
from the potential plot of the calculated model.
The model was calculated for several values of the
beam emitted current (from 10 mA to 1 A) to estimate
the possibility of beam focusing. The results are depict-
ed on the Fig. 2. The potential distribution and beam
trajectories in the model with optimized geometrical
dimensions and parameters are presented on the Fig. 3.
Beam size can be reduced from 5 up to 15 times relative
to cathode beam spot size.
Fig. 2. Beam focal spot size vs. current value
Fig. 3. Potential distribution and electron beam trajec-
tories in the unit model without deflection
The next step was to achieve the beam scanning with
the deflecting plates. Additional deflecting potential was
added to and subtracted from the reference voltage on
the opposing electrodes of the pair. The reference poten-
tial on the scanning plates was set to 10 kV. The values
of the beam deflection relative to the axis and deflection
from the axis relative to the deviation of the electrons
transversal distribution in the beam vs. the deflecting
voltage are depicted on the Fig. 4. This case was con-
sidered with 400 mA beam current that corresponds to
approximately 0.5 mm focal beam spot size.
The focal spot size of the beam is slightly increased
while deflecting it along the axis because of the en-
hanced path that beam travels until it crashes the anode.
Yet the beam size is reduced along the deflection axis
that can be seen on the beam profile picture and phase
space views shown on the Figs. 5-7. According to this
along with beam deflection the focusing potential must
also be tuned to obtain the beam focal plane right on the
anode surface otherwise the beam will grow in the di-
rection oppose to the deflection plane.
The results show that electron beam can be scanned
by electrostatic system with medium-range values of
deflecting potential set to the electrodes over the surface
on anode exceeding the beam focal spot surface approx-
imately 300 times that will give possibilities to reduce
the X-ray tube anode loading with the electron beam
and increase the possible X-ray power levels.
Fig. 4. Beam deflection vs. the deflecting voltage
Fig. 5. Potential distribution and electron beam
trajectories in the unit model with deflection
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №3(91) 149
Fig. 6. Beam profiles on the cathode and anode surfaces
Fig. 7. Phase space view of the electron beam
on cathode and anode
CONCLUSIONS
X-ray tube design for acquiring high values of beam
focusing was schematically modeled and calculated.
Results shows that electron beam size can be reduced up
to 15 times relative to cathode dimensions and electron
scanning can cover the anode surface 300 times larger
than the focal spot size. These results can be imple-
mented in X-ray tubes that require high focusing or
beam scanning of the electron beam along the anode
surface.
REFERENCES
1. G.T. Barnes, B.J. Conway, A.G. Haus, et al. Equip-
ment requirements and quality control for mammog-
raphy // AAPM report. 1990, №29, 72 p.
2. Stanley Humphries. Charged Particle Beams. New
York: John Wiley & Sons, 1990.
3. HeatWave Labs, Inc. Standard Series Barium Tung-
sten Dispenser Cathodes, http://www.cathode.com/
Article received 13.11.2013
ВОЗМОЖНОСТИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
С СИСТЕМОЙ ФОКУСИРОВКИ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Т.В. Бондаренко
Описывается система сканирования электронного пучка в комбинации с системой электромагнитной фо-
кусировки. Такая система находит применение в различных электровакуумных приборах, осуществляющих
генерацию рентгеновского излучения. Подобные приборы могут быть использованы в таких областях, как
медицина, индустрия и дефектоскопия. Электровакуумная система может быть основана на термо- или ав-
тоэмиссионном катоде. Система сканирования выполняется на основе двух пар электрических отклоняющих
диполей. Также сканирование может быть осуществлено за счет магнитной системы. Фокусировка пучка
выполняется за счет геометрических особенностей строения электродов и электронных линз и на магнитной
системе фокусировки для обеспечения поперечного сжатия пучка до субмиллиметровых размеров. Приво-
дятся схемы установки со сканированием электронного пучка и различные методы их реализации. Рассмат-
ривается динамика пучка электронов в электромагнитных полях системы.
МОЖЛИВОСТІ ВИСОКОЧАСТОТНОГО СКАНУВАННЯ ЕЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
З СИСТЕМОЮ ФОКУСУВАННЯ ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Т.В. Бондаренко
Описується система сканування електронного пучка в комбінації з системою електромагнітного фокусу-
вання. Така система знаходить застосування в різних електровакуумних приладах, що здійснюють генерацію
рентгенівського випромінювання. Подібні прилади можуть бути використані в таких областях, як медицина,
індустрія і дефектоскопія. Електровакуумна система може бути заснована на термо- або автоемісійному ка-
тоді. Система сканування виконується на основі двох пар електричних диполів, що відхиляють. Також ска-
нування може бути здійснене за рахунок магнітної системи. Фокусування пучка виконується за рахунок ге-
ометричних особливостей будови електродів і електронних лінз і на магнітній системі фокусування для за-
безпечення поперечного стискнення пучка до субміліметрових розмірів. Наводяться схеми установки із ска-
нуванням електронного пучка і різні методи їх реалізації. Розглядається динаміка пучка електронів в елект-
ромагнітних полях системи.
http://www.cathode.com/
INTRODUCTION
1. X-ray tube design
2. modeling
conclusions
references
Возможности высокочастотного сканирования электронного пучка с системой фокусировки для генерации рентгеновского излучения
МОЖЛИВОСТІ ВИСОКОЧАСТОТНОГО СКАНУВАННЯ ЕЛЕКТРОННОГО ПУЧКА З СИСТЕМОЮ ФОКУСУВАННЯ ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
|