Генератор рентгеновского излучения при деформации пьезоэлектрика в вакууме

Генератор рентгеновского излучения при деформации пьезоэлектрика в вакууме.
Полезная модель относится к области рентгеновской техники и может быть использована для генерации рентгеновского излучения, применяемого в рентгенографии и рентгеноскопии, рентгенотерапии, рентгеновской дефектоскопии, рентгеноструктурном и рентгенофлуоресцентном анализах.
Наиболее распространённый и традиционный способ генерации рентгеновского излучения – это рентгеновские трубки, применяющие высокое напряжения к катоду, который эмитирует электроны. Электроны, в свою очередь, под действием разницы потенциалов между катодом и анодом ускоряются на анод и при торможении в нем производят рентгеновское излучение. Одним из первых подобных устройств, работа которых основана на таком принципе, является «Рентгеновская трубка», описанная в патенте US 1946312 A (публ. 06.02.1934 г.). А в более поздней работе с таким же названием «Рентгеновская трубка», описанная в патенте US 3649861 A (публ. 14.03.1972 г.), предлагается создание такой конструкции, которая позволяет реализовать два фокусных пятна в одной рентгеновской трубке.
В дальнейшем, схема генерации рентгеновского излучения неоднократно модернизировалась, но основной принцип действия сохранялся. Например, одно из последних известных изобретений «Источник рентгеновского излучения, способ генерации рентгеновского излучения, а также применение источника рентгеновского излучения, испускающего монохроматическое рентгеновское излучение», описанный в патенте RU 2608189 (публ. 17.01.2017 г.), предполагает использование аэрогеля в качестве мишени для генерации монохроматического рентгеновского излучения.
Общими недостатками традиционных устройств являются большие энергозатраты, связанные, прежде всего, с необходимостью применения блока высоковольтного питания и прогрева катода до высоких температур.
Другой известный способ генерации рентгеновского излучения основан на применении пироэлектрического эффекта в пироэлектрических кристаллах. Данный эффект заключается в том, что при изменении температуры пироэлектрического кристалла, на поверхности кристалла генерируется высокий потенциал, знак которого зависит от направления изменения температуры и используется для ускорения электронов к мишени или к кристаллу и дальнейшей генерации рентгеновского излучения при торможении электронов. На таком принципе работы основано устройство под названием «Рентгеновская трубка», описанное в патенте US 3840748 A (публ. 08.10.1974 г.).
Недостатком этого способа, основанного на пироэлектрическом эффекте, является нестабильность процесса генерации излучения в пироэлектрических кристаллах при изменении их температуры.
Известны устройства, в которых для генерации рентгеновского излучения предлагается использовать источник высокого напряжения, работающий на пьезоэлектрическом эффекте. Одно из таких устройств, под названием «Метод и система для высоковольтного пьезоэлектрического источника рентгеновского излучения», описано в патенте US 9287080 B2 (публ. 15.03.2016 г.) и является наиболее близким к предлагаемому устройству. Такое техническое решение предназначено для генерации рентгеновского излучения и состоит из: рентгеновской вакуумной камеры, в которой расположен сам механизм данного устройства, пьезоэлектрического цилиндра, расположенного внутри цилиндрической камеры, который подвергаются импульсному или сжимающему вибрационному воздействию. В результате такого воздействия, пьезоэлектрический материал индуцирует заряд, пропорциональный напряжению, входной силе колебаний или импульсу, который скапливается на катоде. Электроны ускоряются от катода и производят рентгеновское излучение в аноде внутри цилиндрической керамики. При этом высоковольтный конец цилиндрической керамики подвергается силе от актюатора через изолятор.
Недостатком описанного устройства является обязательное использование высоковольтного источника питания и изоляционных  материалов между элементами конструкции.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание устройства, позволяющего генерировать рентгеновское излучение путем деформации пьезоэлементов в условиях вакуума.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства, генератора рентгеновского излучения при деформации пьезоэлектрика в вакууме, содержащего пьезоэлемент, катод, анод и актюатор, причем устройство содержит два пьезоэлемента соединенные между собой через катод в виде высоковольтного электрода, анод выполненный в виде двух заземленных электродов и два актюатора, которые заземлены и не изолированы от высоковольтного электрода, кроме того, пьезоэлементы, высоковольтный и заземленный электроды находятся в вакууме, а актюаторы расположены вне вакуума.
Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что пьезоэлементы, высоковольтный и заземленный электроды находятся в вакууме, а актюаторы расположены вне вакуума и заземлены, также не требуется изоляционный материал между высоковольтным электродом и актюаторами, что позволяет уменьшить емкость между высоковольтным электродом и землей, и увеличивает напряжение, энергию электронов, ускорение которых осуществляется снаружи пьезоэлементов, а не внутри, как в прототипе и, как следствие, увеличивает энергию генерируемого рентгеновского излучения.
Первое преимущество предлагаемой полезной модели заключается в отсутствии каких-либо электромагнитного и термического воздействий, как в рентгеновских трубках с термокатодом или пироэлектрических источниках, на источник электрического поля (пьезоэлементы), что позволяет осуществлять генерацию рентгеновского излучения при существенно меньших энергозатратах. Второе преимущество состоит в отсутствии внешнего блока высоковольтного питания, потому что высокое напряжение вырабатывается внутри вакуумной металлической камеры. Третье преимущество заключается в высоковольтной безопасности, потому что в случае нарушения вакуума заряд с высоковольтного электрода стекает на землю и высокое напряжение исчезает. Четвертое преимущество заключается в возможности генерировать рентгеновской излучение как при увеличении силы воздействия на пьезоэлементы (при этом анодом служит, например, высоковольтный электрод), так и при уменьшении силы воздействия (при этом анодом служат, например, заземленный электрод). Пятое преимущество заключается в отсутствии изолятора между высоковольтным электродом и актюатором, что позволяет уменьшить емкость и увеличить энергию генерируемого рентгеновского излучения.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в увеличении генерации рентгеновского излучения, за счет использования высоковольтного электрода между пьезоэлементами для сбора индуцируемого заряда и механизма деформации находящихся в вакууме пьезоэлементов. Данный механизм заключается в контролируемом воздействии на пьезоэлементы только внешней силой и не предусматривает каких-либо электромагнитных и термических воздействий.
Полезная модель поясняется чертежом.
Фиг. 1 - функциональная схема устройства.
Устройство состоит из двух пьезоэлементов 1, высоковольтного электрода 2, двух заземленных электродов 3 и двух актюаторов 4.
Пьезоэлементы (сегнетоэлектрические, пьезоэлектрические кристаллы или пьезоэлектрическая керамика) 1 выполнены в форме цилиндра или параллелепипеда и соединены между собой через высоковольтный электрод 2, изготовленный из проводящего материала. Высоковольтный электрод 2 предназначен для генерации высокого напряжения. Заземленные электроды 3 представляют собой тонкие металлические пластины и заземлены через провод, соединенный с общей землей. С поверхности заземленных электродов 3 происходит ускорение электронов и генерация рентгеновского излучения. Механизм деформации реализуется путем непосредственного воздействия на пьезоэлементы 1. Актюаторы 4 представляют собой металлические цилиндры и обеспечивают связь механизма деформации, находящегося вне вакуумной камеры с пьезоэлементами 1, которые расположены внутри вакуумной камеры. Устройство механизма деформации зависит от способа конкретного применения, а сила воздействия является контролируемой. Возможно осуществление механизма деформации с помощью электродеформационной машины или с помощью дополнительных пьезодвигателей.
Работает устройство при давлении остаточного газа в вакуумной камере 0.001 – 1000 мТорр. Пьезоэлементы 1, высоковольтный электрод 2, и два заземленных электрода 3 помещены в вакуумную камеру, а два актюатора 4 расположены вне вакуумной камеры. При приложении механической силы к актюаторам 4, осуществляя механизм деформации, пьезоэлементы 1 вырабатывают заряд, при этом пьезоэлементы 1 должны быть ориентированы так, чтобы в центре потенциал был отрицательным, а на противоположных концах пьезоэлементов 1 потенциал был положительным. Отрицательный потенциал на высоковольтных электродах 2, позволяет ускорить электроны в направлении от высоковольтных электродов 2 к заземленным электродам 3. Ускоренные электроны, попадая в стенки вакуумной камеры или на специальную мишень, генерируют рентгеновское излучение элементов, которые входят в состав стенки вакуумной камеры или специальной мишени. Деформацию определяет величина напряжения, равная отношению, приложенной силы к площади пьезоэлементов 1. При снятии нагрузки, приложенной к актюаторам 4, на высоковольтном электроде 2 вырабатывается положительный потенциал, в результате чего, электроны ускоряются на высоковольтный электрод 2 и производят рентгеновское излучение при торможении в заземленном электроде 3. При увеличении силы воздействия на пьезоэлементы 1 высоковольтный электрод выступает в роли катода, а заземленный электрод – в роли анода, а при уменьшении  прикладываемой силы высоковольтный электрод выступает в роли анода, а заземленный электрод – в роли катода.
В качестве примера осуществления работы предлагаемого устройства, использовались пьезоэлементы 1, выполненные из цирконата-титаната-бората свинца (ЦТБС-3м) в виде цилиндров размером 8 мм Ч 15 мм. Высоковольтный электрод 2 был изготовлен из меди (Cu) размером 9  мм Ч 5  мм. Заземленный электрод 3 представляет собой тонкую пластину в форме диска из цинка (Zn) размером 50 мм Ч 1 мм. Актюаторы 4размером 20  мм Ч 200 мм выполнены в форме цилиндров из алюминиевого сплава Д16Т. При воздействии на пьезоэлементы 1 механическим напряжением 100 Мпа было получено рентгеновское излучение с энергией до 50 keV, интегральной интенсивностью до 105 фотонов в секунду в течении 40 секунд.
Предлагаемое устройство найдет применение в рентгенотерапии - разделе лучевой терапии, охватывающий теорию и практику лечебного применения рентгеновских лучей, генерируемых при напряжении 20-60 кВ. Также предлагаемое устройство может использоваться для рентгенофлуоресцентного анализа различных структур, калибровки различных рентгеновских приборов. Независимость устройства от электрических источников питания делает его выгодным инструментом для применения в полевых и экстремальных условиях. Также предлагаемое устройство может использоваться в рентгеновской дефектоскопии – выявление дефектов в изделиях с помощью рентгеновских лучей. С помощью данного устройства возможно получать высокое напряжение, которое позволит ускорять заряженные частицы в заданном направление, что найдет применение в научных исследованиях.