СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GENERATING X-RAY RADIATION DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к способам получения рентгеновского излучения для его использования в различных областях народного хозяйства, в частности в медицине, в химической, нефтехимической и других отраслях.
Рентгеновское излучение является важнейшим фактором ионизирующего воздействия на физические и биологические системы и широко используется в медицине, например при проведении рентгеновских исследований, и других прикладных технологиях, например в получении водорода, радиолизе воды. Создание оптимальных и безопасных источников рентгеновского излучения является актуальной задачей.
60
60
137
57
57
119m
Известны изотопные источники ионизирующего излучения рентгеновского и гамма-диапазона, которые используются, например, в медицине для радиационной терапии - изотоп Со, в дефектоскопии для объемного анализа структуры материалов - изотопы Со и Cs, при проведении мессбауэровских исследований - например, изотопы Co(Fe) и Sn. Работа с этими изотопами требует особых мер радиационной защиты как во время практического использования, так и во время хранения.
-10
-2
В настоящее время основной способ получения рентгеновского излучения связан с процессом взаимодействия быстрых электронов с различными мишенями в рентгеновских трубках (Хараджа Ф. Общий курс рентгенотехники, М.-Л., изд. Энергия, 1966). Для получения жесткого излучения используются пучки ускоренных электронов с большей энергией и мишени, изготовленные из тяжелых атомов (атомов с большим зарядом ядра). Например, для получения рентгеновского излучения с длиной волны около 0.7 А необходимо использовать электроны с энергией W>10-15 КэВ, которыми бомбардируют поверхность мишени, изготовленную из атомов середины таблицы Менделеева. Коэффициент η преобразования кинетической энергии таких электронов в характеристическое рентгеновское излучение очень мал: η≤10 ZW (где Z - заряд ядер атомов мишени, W - энергия ускоренных электронов в единицах эВ), и при такой энергии не превышает η≈10 %. Такие системы имеют большой вес и габариты, потребляют много электроэнергии, требуют специального водяного охлаждения рентгеновской трубки и особых мер как радиационной зашиты, так и защиты от действия высокого напряжения.
Целью создания настоящего изобретения являлась разработка высокоэкономичного безопасного способа получения источника рентгеновского излучения, приемлемого для широкого использования в различных отраслях, например в медицине, водородной энергетике, нефтехимии и других.
При разработке настоящего изобретения была поставлена задача создания способа генерации узкополосного рентгеновского излучения без применения источников радиоактивности и без использования ускоренного до высокой энергии пучка электронов, обеспечивающего возможность создания источников рентгеновского излучения заданного диапазона частот и мощности с возможностью изменения его мощности и частоты.
Известен способ генерации интенсивного излучения видимого диапазона при быстром движении струи жидкости сквозь узкие диэлектрические каналы, основанный на использовании радиационных процессов и сопутствующей сонолюминесценции при формировании и коллапсе кавитационных пузырьков в струе жидкости, протекающей под давлением через тонкий канал в кавитационную камеру, сквозь которую она проходит не касаясь стенок (А.А.Корнилова, В.И.Высоцкий, А.И.Колдамасов, Hyun Ik Yang, Denis B.McConnell, А.В.Десятов. Генерация интенсивного направленного излучения при быстром движении струи жидкости сквозь узкие диэлектрические каналы. Поверхность, №3, 2007, с.55-60). В этом способе процесс генерации излучения не требует использования ускорительных систем или радиоактивных изотопов. Генерация видимого излучения происходит внутри камеры в объеме струи жидкости.
Однако с помощью описанного способа генерируют излучение относительно низкой частоты в видимом диапазоне, которое может проходить сквозь прозрачные стенки кавитационной камеры. Способ не предоставляет возможности перестройки частот излучения, а также получения более жесткого излучения, в частности рентгеновского излучения, за пределами кавитационной камеры.
Поставленная задача была решена разработкой способа генерации рентгеновского излучения, включающего возбуждение атомов наружной поверхности мишени, отличающегося тем, что формируют при пониженном давлении поток жидкой среды, имеющий, по меньшей мере, в периферийной части потока области кавитации с зонами коллапса кавитационных пузырьков, обеспечивают контактирование зон коллапса указанного потока с внутренней поверхностью мишени и получают рентгеновское излучение на наружной поверхности мишени, при этом используют мишень, выполненную из материала, имеющего низкий коэффициент объемного затухания упругой ультразвуковой волны, толщиной, равной или превышающей длину преобразования упругой ультразвуковой волны, возбуждаемой ударной волной зоны коллапса в материале мишени, в ударную волну с малым фронтом на наружной поверхности мишени.
При этом, согласно изобретению, целесообразно указанный поток жидкой среды формировать в импульсном режиме и получать импульсное рентгеновское излучение.
При этом, согласно изобретению, целесообразно формирование областей кавитации в потоке жидкой среды осуществлять путем предварительного продавливания жидкой среды, по меньшей мере, через один узкий канал и последующего ее быстрого расширения.
При этом, согласно изобретению, целесообразно использовать мишень, выполненную из материала с легкими атомами или содержащего такие атомы.
При этом, согласно изобретению, целесообразно обеспечивать регулирование частоты и мощности получаемого рентгеновского излучения путем изменения давления в потоке жидкости перед областью его последующего быстрого расширения.
Кроме того, согласно изобретению, целесообразно обеспечивать регулирование частоты и мощности получаемого рентгеновского излучения путем формирования многоструйного потока жидкой среды в области его последующего быстрого расширения.
При этом, согласно изобретению, целесообразно на наружной поверхности мишени создавать, по меньшей мере, один малоразмерный участок, проницаемый для генерируемого рентгеновского излучения.
При этом, согласно изобретению, целесообразно обеспечивать стимуляцию образования областей кавитации в потоке жидкости.
При этом, согласно изобретению, целесообразно обеспечивать стимуляцию образования областей кавитации в потоке жидкости путем предварительного введения в жидкость стимулятора, содержащего примеси, обеспечивающие формирование центров зарождения кавитационных пузырьков.
При этом, согласно изобретению, целесообразно в качестве примесей использовать молекулы или частицы жироподобных веществ.
При этом, согласно изобретению, целесообразно обеспечивать стимуляцию образования областей кавитации в потоке жидкости путем облучения жидкости в области ее быстрого расширения потоком заряженных частиц, имеющих в жидкости длину пробега, соответствующую размерам области кавитации.
При этом, согласно изобретению, целесообразно в качестве источника заряженных частиц использовать долгоживущий радиоактивный изотоп.
239
241
При этом, согласно изобретению, целесообразно в качестве источника заряженных частиц использовать радиоактивный изотоп Pu или Am, испускающий альфа-частицы.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы для получения смешанного характеристического рентгеновского излучения вещества материала мишени и другого вещества, содержащих атомы, электронные переходы в которых соответствуют смешанному характеристическому рентгеновскому излучению, которое предполагают получить, на наружную поверхность мишени было нанесено дополнительно указанное другое вещество акустически связанным с материалом мишени слоем толщиной не более длины поглощения генерируемого рентгеновского излучения.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени обеспечивать путем механического крепления слоя вещества к мишени.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени обеспечивать путем диффузионного внедрения атомов вещества слоя в приповерхностный слой мишени.
При этом, согласно изобретению, акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени возможно обеспечивать путем трансплантационного внедрения атомов слоя в приповерхностный слой мишени.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени возможно обеспечивать адгезией с помощью акустического геля.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы указанный слой был образован мелкодисперсными частицами вещества.
При этом, согласно изобретению, возможно, чтобы указанный слой вещества на наружной поверхности мишени был распределен фрагментарно.
Кроме того, согласно изобретению, целесообразно, чтобы для получения характеристического рентгеновского излучения вещества, отличного от вещества материала мишени и содержащего атомы, электронные переходы в которых соответствуют желаемому характеристическому рентгеновскому излучению, на наружную поверхность мишени было нанесено указанное вещество сплошным, акустически связанным с материалом мишени слоем толщиной не более длины поглощения генерируемого рентгеновского излучения, полностью покрывающим наружную поверхность мишени.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы для получения смешанного характеристического рентгеновского излучения, материал мишени содержал атомы, электронные переходы в которых соответствуют смешанному характеристическому рентгеновскому излучению, которое предполагают получить с наружной поверхности мишени.
Поставленная задача была также решена созданием устройства для осуществления способа генерации рентгеновского излучения согласно изобретению, содержащего сообщенные между собой последовательно:
- устройство подачи исходного потока жидкой среды, обеспечивающее заданное давление и скорость в потоке;
- устройство сжатия жидкой среды, обеспечивающее образование на выходе из устройства высоконапорной струи жидкой среды с заданным давлением и температурой;
- устройство расширения жидкой среды, обеспечивающее образование областей кавитации, по меньшей мере, в периферийных областях потока жидкой среды;
- устройство вывода отработавшей жидкой среды;
- а также сообщенное с внутренней полостью устройства расширения жидкой среды, по меньшей мере, в области зон коллапса устройство генерации внешнего рентгеновского излучения, содержащее мишень, приспособленную для получения на ее наружной поверхности желаемого рентгеновского излучения.
При этом целесообразно, чтобы устройство согласно изобретению для получения импульсного рентгеновского излучения содержало устройство подачи исходного потока, обеспечивающее формирование потока жидкой среды в импульсном режиме.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы устройство сжатия жидкой среды было приспособлено для формирования областей кавитации в потоке жидкой среды продавливанием жидкой среды, по меньшей мере, через один узкий канал и последующего ее быстрого расширения.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы устройство генерации внешнего рентгеновского излучения содержало мишень, выполненную из материала с легкими атомами или содержащего такие атомы.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы на наружной поверхности мишень имела, по меньшей мере, один малоразмерный участок, проницаемый для генерируемого рентгеновского излучения.
При этом целесообразно, чтобы устройство согласно изобретению было приспособлено для облучения жидкости в области ее быстрого расширения потоком заряженных частиц, имеющих в жидкости длину пробега, соответствующую размерам области кавитации.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в качестве источника заряженных частиц устройство содержало долгоживущий радиоактивный изотоп.
239
241
При этом, согласно изобретению, целесообразно в качестве источника заряженных частиц использовать радиоактивный изотоп Pu или Am, испускающий альфа-частицы.
При этом, согласно изобретению, целесообразно для получения смешанного характеристического рентгеновского излучения вещества материала мишени и другого вещества, содержащих атомы, электронные переходы в которых соответствуют смешанному характеристическому рентгеновскому излучению, которое предполагают получить, мишень на наружной поверхности содержала дополнительно указанное другое вещество акустически связанным с материалом мишени слоем толщиной не более длины поглощения генерируемого рентгеновского излучения.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени обеспечивать путем механического крепления слоя вещества к наружной поверхности мишени.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени обеспечивать путем диффузионного внедрения атомов вещества слоя в приповерхностный слой наружной поверхности мишени.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени обеспечивать путем трансплантационного внедрения атомов слоя в приповерхностный слой мишени.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени (6) обеспечивают адгезией с помощью акустического геля.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы указанный слой вещества на наружной поверхности мишени был образован мелкодисперсными частицами вещества.
При этом, согласно изобретению, целесообразно указанный слой вещества на наружной поверхности мишени распределять фрагментарно.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы для получения характеристического рентгеновского излучения вещества, отличного от вещества материала мишени и содержащего атомы, электронные переходы в которых соответствуют желаемому характеристическому рентгеновскому излучению, на наружной поверхности мишень содержала указанное вещество сплошным, акустически связанным с материалом мишени слоем толщиной не более длины поглощения генерируемого рентгеновского излучения, полностью покрывающим наружную поверхность мишени.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы для получения смешанного характеристического рентгеновского излучения, и при этом материал мишени содержит атомы, электронные переходы в которых соответствуют смешанному характеристическому рентгеновскому излучению, которое предполагают получить с наружной поверхности мишени.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров осуществления способа генерации рентгеновского излучения согласно изобретению с помощью устройства для генерации рентгеновского излучения согласно изобретению, и прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 - схема получения рентгеновского излучения согласно изобретению;
Фиг.2 - схема устройства для осуществления способа получения рентгеновского излучения согласно изобретению, вариант выполнения.
При этом приведенные примеры осуществления не выходят за рамки патентных притязаний и не ограничивают возможности осуществления настоящего изобретения.
При создании настоящего изобретения авторами была проанализирована известная информация о радиационных процессах, проходящих в зонах кавитации жидкости, а также полученные авторами результаты исследований.
При детальном исследовании характеристик и условий процесса формирования и последующего коллапса кавитационных пузырьков было установлено, что этот процесс характеризуется несколькими последовательными этапами эволюции кавитационных пузырьков.
Схема эволюции кавитирующего пузырька и получения рентгеновского излучения показана на Фиг.1.
Зарождение кавитационных пузырьков 1 связано с процессами разрушения сплошности жидкой среды при уменьшении внешнего давления, приводящими к появлению внутренних разрывов и росту количества и величины флуктуационно появляющихся в разрывах микрозародышей - микропузырьков с формированием области 2 кавитации.
Начальная стадия роста кавитационных пузырьков 1 в области 2 кавитации наблюдается при давлении, меньшем, чем давление насыщающего пара жидкости при заданной температуре жидкой среды. Это обстоятельство способствует испарению жидкости в объем расширяющегося пузырька и повышает внутреннее давление, что, в свою очередь, способствует росту пузырька 1. Исследования на основе уравнений Навье-Стокса (Barber B.P. et al., Phys. Reports, v.281, 1997, р.65) показали, что скорость возрастания радиуса пузырьков намного меньше, чем скорость звука в окружающей жидкости.
Рост кавитационных пузырьков 1 прекращается при прекращении снижения внешнего давления, действующего на жидкость. Это состояние является неустойчивым, и сразу после него наступает фаза коллапса (самосхлопывания) этих пузырьков.
Причиной коллапса являются силы поверхностного натяжения стенки кавитационного пузырька 1, резко возрастающие при уменьшении его радиуса. Под действием этих сил происходит очень быстрое сжатие пузырька, чему способствуют процессы конденсации на его стенках паров, находящихся в объеме пузырька. Скорость завершающей стадии самосхлопывания кавитационного пузырька может превышать скорость звука в жидкости (Barber B.P. et al., Phys. Reports, v.281, 1997, р.65).
В процессе коллапса происходит резкое повышение температуры и давления в центре сжимаемого пузырька 1. Процесс коллапса прекращается, когда резко возросшее внутреннее давление остатков газа и пара в зоне 3 коллапса уравновешивается давлением стенок пузырька 1 и давлением жидкости, окружающей пузырек 1 по наружной поверхности и стремящейся к его центру.
Эти стадии эволюции пузырька 1 сопровождаются изменением состояния жидкости, окружающей сжимаемый пузырек 1 (Маргулис М.А. Успехи физических наук, т.170, 2000, №3, с.279). В начальной фазе роста пузырька 1 жидкость сравнительно медленно раздвигается, слабо увеличивая свою плотность в области, примыкающей к растущему пузырьку. В фазе коллапса происходит ускоренное движение большой массы жидкости, примыкающей к стенке пузырька, в направлении к центру коллапса. После завершения коллапса инерционное движение жидкости к центру приводит к импульсному сжатию ("пережатию") жидкости и кратковременному очень резкому возрастанию давления в зоне 3 коллапса в фазе максимального сжатия. Это состояние аналогично состоянию очень сильно сжатой пружины.
Как показано на Фиг.1, после этого начинается интенсивное обратное движение жидкости и формирование мощного акустического импульса 4, который затем превращается в ударную волну 5, распространяющуюся от зоны 3 коллапса в объем жидкости в области 2 кавитации. При удалении от зоны 3 коллапса амплитуда ударной волны 5 быстро падает как из-за сильного поглощения высокочастотного ультразвука в жидкости, так и из-за пространственной расходимости волны (Селиванов В.В., Соловьев B.C., Сысоев Н.Н. Ударные и детонационные волны (методы исследований), М., изд. МГУ, 1990). Такие акустические импульсы 4 в форме ударной волны 5 являются основной причиной кавитационного разрушения материалов и детально исследованы в экспериментах.
sw
В результате ранее известных детальных измерений было обнаружено, что скорость ударной волны 5 на расстоянии 50 мкм от зоны 3 коллапса "схлопнувшегося" пузырька 1 составляет v=4000 м/с, что намного превышает скорость звука v=1430 м/с в воде при нормальных условиях. Амплитуда этой ударной волны соответствовала величинам 40-60 Кбар (Pecha, R., Gompf B. "Microimplosions: Cavitation collapse and shock wave emission on a nanosecond time scale". Phys. Rev. Lett. v.84, 2000, p.1328-1330).
С помощью пьезоэлектрического гидрофона были измерены параметры импульсов акустического давления в жидкости за пределами зоны 3 коллапса (Matula, Т.J., I.М.Hallaj, R.О.Cleveland, L.A.Cram, W.С.Moss, and R.A.Roy, 1998, "The acoustic emissions from single-bubble sonoluminescence". J. Acoust. Soc. Am. v.3, 1998, p.1377-1382). На расстоянии 1 мм от зоны 3 коллапса в области 2 кавитации импульс давления имел длительность фронта 5,2 нс и амплитуду давления 1,7 бар.
Были обнаружены импульсы избыточного давления, превышающего 1 бар на расстоянии 2,5 мм от пузырька (Wang, Z.Q., R.Pecha, В.Gompf, W.Eisenmenger "Single bubble sonoluminescence: Investigations of the emitted pressure wave with a fiber optic probe hydrophone". Phys. Rev. Ev.59, 1999, p.1777-1780).
Авторы настоящего изобретения установили, что, как показано на схеме Фиг.1, возможно использовать энергию акустических импульсов 4 ударных волн 5 коллапса кавитационных пузырьков 1 зоны 2 кавитации для возбуждения в мишени 6, контактирующей с зоной 3 коллапса по своей внутренней поверхности 7, упругих волн 8 с обеспечением последующего инициирования внутри мишени 6 и вблизи ее наружной поверхности 9 ударной волны 10, приводящей к возбуждению атомов наружной поверхности 9 мишени 6, то есть для генерации на наружной поверхности 9 мишени 6 рентгеновского излучения 11 в окружающую среду.
Кроме того, авторы установили, что для того, чтобы ударные волны 5 от зоны 3 коллапса кавитационных пузырьков 1 достигли внутренней поверхности 7 мишени 6, необходимо, чтобы пространство между зоной 3 коллапса и внутренней поверхностью 7 мишени 6 было заполнено средой, проводящей ударную волну 5, например жидкостью.
В этом случае ударная волна 5, распространяющаяся в объеме жидкой среды, воздействует на внутреннюю поверхность 7 мишени 6 и возбуждает в ней вторичную упругую волну 8, движущуюся к наружной поверхности 9 мишени и преобразующуюся в ударную волну 10 вблизи ее наружной поверхности 9. Для того чтобы такой процесс перевозбуждения имел большую эффективность, необходимо соблюдение следующих условий:
а) расстояние от зоны 3 коллапса кавитационного пузырька 1 до внутренней поверхности 7 мишени 6 должно быть равным или ненамного, не более чем в 2-3 раза, превышать длину преобразования упругой ультразвуковой волны акустического импульса 4, возбуждаемой в жидкости в зоне 3 коллапса, в первичную ударную волну 5 в этой жидкости,
б) должно быть обеспечено акустическое согласование между жидкой средой и материалом мишени 6, обеспечивающее большой коэффициент преобразования энергии первичной ударной волны 5 в жидкости в энергию упругой волны 8 в материале мишени 6,
в) толщина мишени 6 должна быть достаточно большой для обеспечения преобразования упругой волны 8 в пространстве между внутренней 7 и наружной 9 поверхностями мишени во вторичную ударную волну 10 вблизи наружной поверхности 9 мишени 6.
При выполнении этих условий имеет место процесс возбуждения вторичной ударной волны 10 в мишени 6, контактирующей с жидкостью, в которой находится зона 3 коллапса. Эта ударная волна 10 движется к наружной поверхности 9 мишени 6, увеличивая амплитуду и синхронно с этим уменьшая длительность фронта ударной волны 10.
Эта вторичная ударная волна 10 доходит до наружной поверхности 9 мишени, отражается от ее границы с внешней средой, в частности границы с воздухом. В процессе этого отражения происходит импульсное возбуждение электронных состояний в атомах, что ведет к последующей генерации рентгеновского излучения 11. Процесс возбуждения связан с импульсным воздействием на атомы (импульсным ускорением атомов) на наружной поверхности 9 мишени 6, а также с их столкновением и деформацией электронных оболочек в этой области под воздействием ударной волны 10.
Для иллюстрации настоящего изобретения рассмотрим некоторые из механизмов воздействия, которые могут приводить к возбуждению внутренних электронных состояний атомов на наружной поверхности 9 мишени 6.
Первый из механизмов связан с внезапным ускорением атомов при прохождении фронта ударной волны 10 внутри материала мишени 6.
0
0
Процессу возбуждения атома с зарядом ядра Z на примере перехода 1s→2р соответствует состояние с наиболее интенсивным рентгеновским излучением при внезапном ускорении атома до скорости v на фронте ударной волны 10. Вероятность такого импульсного ускорения достаточно большая, поскольку скорость движения фронта ударной волны 10 намного превышает скорость звука, а ширина фронта ΔL очень мала и в плотных средах может составлять единицы или десятки ангстрем.
Волновая функция атома в исходном состоянии имеет вид
α
Волновая функция электрона в атоме, движущемся со скоростью  вдоль оси z, в состоянии , которому соответствует наиболее интенсивная К линия излучения, имеет вид
(Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. М., 1963, §104).
При быстром изменении скорости атома вероятность возбуждения конкретного электронного перехода 100→210 описывается выражением
В этом выражении:
100
2
8
ν=Ze/ħ≈2.3·10 Z см/с - среднеквадратичная скорость электрона в исходном состоянии ,
- боровский радиус.
100
Учитывая, что скорость движения атомов ν на фронте ударной волны мала по сравнению с ν, окончательно находим
100,210
100
-3
2
W≈2.2·10(ν/ν)
sw
α
6
Если подставить в это соотношение приведенное выше значение для скорости ударной волны v=v=4·10 см/с, то получим выражение для вероятности возбуждения К линии излучения в атоме с зарядом ядра Z
100,210
-12
2
W≈4·10/Z
0
0
Возбужденные атомы распадаются за счет обратного спонтанного радиационного перехода 2р→1s с излучением кванта характеристического излучения с энергией
210,100
e
2
4
2
ħω=3Zme/8ħ
210,100
В том случае когда мишень изготовлена из сравнительно легких атомов С, О, N с Z≤8 (например, из органического стекла), то энергия переходов будет соответствовать величинам ħω≈0.7-1 КэВ.
2
20
5
6
11
11
100,210
Если принять в качестве примера, что на 1 см поверхности камеры в слое толщиной 1 микрон находится около N≈10 атомов, то количество возбужденных за счет действия одной ударной волны атомов в этом объеме будет равно ΔN=NW≈10. Прямые исследования акустических импульсов на поверхности мишени показали, что каждую секунду в камере образуется не менее 10 кавитационных пузырьков, что эквивалентно итоговому возбуждению 10 атомов в секунду. Следовательно, при указанных параметрах такая система способна генерировать не менее 10 квантов в секунду.
max
11
12
Другой механизм возбуждения рентгеновского излучения при отражении ударной волны от границы плотного вещества и воздуха связан с сильной деформацией электронных оболочек атомов на фронте ударной волны из-за большого градиента давлений ∇P≈P/ΔL≈10-10 бар/см в пределах очень узкого фронта (Аврорин Е.Н., Водолага Б.К., Симоненко В.А., Фортов В.Е. и др. Мощные ударные волны и экстремальные состояния вещества. Успехи физических наук, т.163, 1993, №5, с.1; Фортов В.Е. Мощные ударные волны и экстремальные состояния вещества. Успехи физических наук, т.177, 2007, №4, с.347). При таком напряжении происходит деформация электронных оболочек атомов на поверхности, что ведет к появлению вакансий на внутренних оболочках и вследствие этого к генерации характеристического рентгеновского излучения.
Таким образом, оба описанных выше механизма ведут к генерации характеристического рентгеновского излучения наружной поверхностью 9 мишени 6.
При этом, согласно изобретению, при нанесении на наружную поверхность 9 мишени 6 других материалов будут генерироваться другие линии характеристического рентгеновского излучения, которые соответствуют атомам этих материалов.
Например, согласно изобретению, если на наружную поверхность 9 мишени 6 нанести слой другого вещества, например тонкий слой меди (Z=29), и обеспечить акустический контакт этого слоя с наружной поверхностью 9, то при воздействии ударной волны 10 будут возбуждаться атомы меди, и в спектре будут присутствовать более жесткие линии характеристического излучения.
При этом, если этот слой будет полностью покрывать наружную поверхность 9 мишени 6 сплошным слоем, то сквозь него не будет проходить мягкое рентгеновское излучение самого вещества материала мишени 6, и такая система будет генерировать только излучение самой меди.
Если же медь будет нанесена в виде отдельных малоразмерных фрагментов, например в виде мелкодисперсного порошка, то будет наблюдаться как более мягкое излучение от атомов материала самой мишени 6, так и излучение от нанесенной меди.
Таким образом, согласно изобретению, если наносить конкретный материал в виде малоразмерного фрагмента на конкретное место поверхности мишени, то можно получить локальный (квазиточечный) источник рентгеновского излучения.
Таким образом, согласно изобретению, процесс генерации рентгеновского излучения происходит при импульсном воздействии (ускорении, торможении или деформации) на атомы, расположенные на наружной поверхности мишени, или на атомы, акустически связанные с наружной поверхностью мишени. Это воздействие имеет место на фронте ударной волны, формируемой при кавитационных явлениях в жидкой среде внутри камеры.
При этом, согласно изобретению, процесс кавитации и схлопывания пузырька и сопутствующий ему процесс формирования мощного акустического импульса в окружающей его жидкой среде может быть стимулирован при разных способах изменения давления в жидкости.
Например, известен акустический способ возбуждения кавитационных явлений путем наложения на жидкость переменного давления (Barber B.P. et al., Phys. Reports, v.281, 1997, р.65). При этом кавитационные пузырьки возникают на стадии отрицательного давления ультразвука (растяжения). В этом способе положение центров кавитационных пузырьков остается неизменным в течение всего цикла изменения параметров этих пузырьков - от их зарождения до их коллапса. Недостатком этого способа является невозможность обеспечения большой амплитуды изменения давления за счет возбуждаемого ультразвука. Как правило, изменение давления при таком возбуждении не превышает несколько единиц бар. При такой сравнительно небольшой амплитуде изменения давления амплитуда начального акустического импульса также будет небольшой. В этих условиях процесс нелинейного формирования ударной волны из начального акустического импульса, идущего от зоны коллапса, происходит на очень большом расстоянии от пузырька, что из-за сильного поглощения может привести к тому, что ударная волна не будет формироваться.
Известен также способ возбуждения кавитационных явлений путем принудительного продавливания жидкости сквозь каналы с резко изменяющимся проходным сечением (А.А.Корнилова, В.И.Высоцкий, А.И.Колдамасов, Hyun Ik Yang, Denis B. McConnell, А.В.Десятов. Генерация интенсивного направленного излучения при быстром движении струи жидкости сквозь узкие диэлектрические каналы. Поверхность, №3, 2007, с.55-60). В этом случае процесс изменения давления прямо обусловлен условиями выхода жидкости, движущейся под воздействием большого давления сквозь тонкий канал, в камеру с большим поперечным сечением. Очень резкое уменьшение давления, действующего на движущуюся жидкость, приводит к зарождению, росту и последующему схлопыванию кавитационных пузырьков в объеме струи жидкости, выходящей из тонкого канала. При этом положение изменяющихся центров кавитационных пузырьков смещается вместе с движущейся жидкостью. Этот способ не требует сложных систем для генерации в жидкости ультразвука высокой амплитуды. Такой способ формирования кавитационных пузырьков реализуется, например, в ячейке Колдамасова.
При этом изменение амплитуды давления в объеме движущейся жидкости при резком изменении проходного сечения каналов оказывается очень большим и может достигать 50-100 бар, что обеспечивает формирование интенсивных ударных волн сразу за границами зоны коллапса.
Кроме того, согласно изобретению, для формирования областей кавитации в потоке жидкости может быть применена стимуляция зарождения кавитационных пузырьков путем образования в потоке жидкости микрозародышей кавитационных пузырьков. Такими микрозародышами могут быть, например, молекулы примесей или молекулы растворенного газа. Кроме того, вероятность появления кавитационных микропузырьков резко возрастает при воздействии на жидкость потоком тяжелых заряженных частиц, образующих зародыши кавитации.
Способ получения рентгеновского излучения может быть осуществлен в устройстве, показанном на Фиг.2, содержащем сообщенные между собой последовательно:
- устройство 12 подачи исходного потока жидкой среды, обеспечивающее заданное давление и скорость в потоке;
- устройство 13 сжатия жидкой среды, обеспечивающее образование на выходе из устройства высоконапорного потока жидкой среды с заданным давлением и температурой;
- устройство 14 расширения жидкой среды, обеспечивающее образование зон кавитации, по меньшей мере, в периферийных областях потока жидкой среды;
- устройство 15 рентгеновского излучения, содержащее устройство 16 мишени, сообщенное с устройством 14 расширения жидкой среды, по меньшей мере, в области зон 3 коллапса областей 2 кавитации жидкой среды;
- устройство 17 вывода отработавшей жидкой среды.
При этом устройство 12 формирования исходного потока рабочей жидкой среды может быть выполнено в виде трубопровода 18 с насосом 19, снабженного датчиком 20 давления.
Устройство 13 сжатия жидкой среды может быть выполнено в виде корпуса 21, имеющего внутреннюю полость 22 с устройством 23 ввода и устройством 24 вывода жидкой среды и снабженного датчиком давления (на чертеже не показан) и устройством регулирования температуры (на чертеже не показано) жидкой среды в корпусе 21, например теплообменником.
При этом устройство 24 вывода жидкой среды из устройства 13 сжатия в устройство 14 расширения может быть выполнено, например, в виде перегородки 25, в которой закреплена съемная диафрагма 26 из диэлектрического материала, имеющая узкий канал 27, длина и площадь проходного сечения которого обеспечивают образование на выходе из устройства 24 вывода потока жидкой среды заданной формы с заданным давлением. Однако диафрагма 26 может иметь несколько узких каналов 27 для создания многоструйного потока жидкой среды, что позволяет регулировать параметры потока жидкой среды, например давление, направление струй жидкости и расположение формируемых областей кавитации струй жидкой среды.
Устройство 14 расширения жидкой среды может быть выполнено в виде рабочей камеры 28, снабженной устройством регулирования температуры, например теплообменником (на чертеже не показано), обеспечивающим регулирование температуры жидкой среды во внутренней полости 29 рабочей камеры 28 в заданном диапазоне температур. Конфигурация и размеры внутренней полости 29 обеспечивают образование областей 2 кавитации, по меньшей мере, в периферийных областях потока поступающей жидкой среды. Конструктивные параметры устройства 24 вывода указанного потока жидкой среды из устройства 13 сжатия в рабочую камеру 28 и устройства 17 вывода отработавшей жидкой среды обеспечивают во внутренней полости 29 заданное давление, являющееся оптимальным для обеспечения требуемой интенсивности процесса образования и коллапса кавитационных пузырьков, то есть процесса формирования в областях 2 кавитации (Фиг.1) ультразвуковых акустических импульсов 4 и ударных волн 5 с заданными параметрами.
Устройство 15 рентгеновского излучения содержит устройство 16 мишени, содержащее мишень 6, сообщенную с внутренней полостью 29 рабочей камеры 28 устройства 14 расширения жидкой среды, по меньшей мере, в области зон 3 коллапса областей 2 кавитации жидкой среды.
При этом, согласно изобретению, мишень 6 своей внутренней поверхностью 30 размещена на внутренней стенке 31 рабочей камеры 28 устройства 14 расширения жидкой среды или акустически сообщена с внутренней стенкой 31 в области контакта внутренней стенки 31 с областью 2 кавитации жидкой среды и может быть выполнена из диэлектрического материала, например органического стекла, или материала с легкими атомами.
Согласно изобретению, в зависимости от того, какое рентгеновское излучение требуется получить, - излучение однородного вещества материала мишени или излучение другого вещества, отличного от вещества материала мишени, или смешанное излучение вещества материала мишени и другого вещества или излучение неоднородного вещества материала мишени, мишень 6 может быть выполнена однослойной, двухслойной или комбинированной - содержащей различные атомы, излучение которых требуется получить. Указанные варианты мишени 6 могут быть реализованы на основе известных технологий.
Схематично эволюция (Фиг.1) движущегося кавитационного пузырька, от зарождения после выхода из канала 27, последующего роста до максимального размера и коллапса на внутренней стенке 31 рабочей камеры 28, показана на линии 32.
В экспериментах, проведенных авторами, была использована рабочая камера 28 из органического стекла, которая имела длину 15 см, диаметр 8 см и была изготовлена из органического стекла с толщиной стенок около 3 см. В центре камеры 28 находилась диэлектрическая перегородка 25 длиной 2 см, сквозь которую проходила съемная диафрагма 26, в одной группе экспертиментов имеющая один узкий прямолинейный канал 27 диаметром около 1 мм, в другой группе экспертиментов имеющая 4 узких прямолинейных канала 27, расположенных по окружности.
В одной из групп экспериментов в качестве мишени 6 использовали стенку рабочей камеры 28 из органического стекла, имеющую внутреннюю поверхность 31 и наружную поверхность 33.
В другой группе экспериментов в качестве мишени 6 использовали стенку рабочей камеры 28 из органического стекла, на наружную поверхность 33 которой был напылением нанесен слой порошка меди, механически и акустически связанный с ее наружной поверхностью 33. Были также проведены эксперименты с использованием в качестве мишени 6 стенки рабочей камеры 28 органического стекла, изготовленного с содержанием меди.
Эксперименты по возбуждению кавитации в объеме прокачиваемой жидкой среды были проведены в режиме поэтапного возрастания давления и в импульсном режиме. При этом в одной группе экспериментов обеспечивали регулирование частоты и мощности получаемого рентгеновского излучения путем изменения давления в потоке жидкости перед областью его последующего быстрого расширения за счет изменения напора в потоке перед узким каналом 27. В другой группе экспериментов регулирование частоты и мощности получаемого рентгеновского излучения проводили путем формирования многоструйного потока жидкой среды в области его последующего быстрого расширения за счет использования съемной диафрагмы 25 со множеством узких каналов 27 (на чертеже не показано) и изменения напора в потоке перед ними.
Для обеспечения стимуляции образования областей кавитации в потоке жидкости в качестве жидкой среды было использовано веретенное масло, содержащее мелкодисперсные жировые включения, играющие роль примесей, являющихся центрами зарождения пузырьков.
239
241
Специалистам в области радиационных технологий должно быть понятно, что стимуляция может быть также проведена с помощью облучения жидкости в области ее быстрого расширения потоком заряженных частиц, имеющих в жидкости длину пробега, соответствующую желаемым размерам области кавитации. Например, в качестве источника таких заряженных частиц можно использовать долгоживущий радиоактивный изотоп, например Pu или Am, испускающий альфа-частицы.
Способ получения рентгеновского излучения согласно изобретению был осуществлен следующим образом.
Жидкую среду в виде веретенного масла закачивали через устройство 12 подачи исходного потока жидкой среды, обеспечивающее образование на выходе из устройства высоконапорного потока жидкой среды с заданным давлением и температурой в устройство 13 сжатия жидкой среды, а затем через каналы 27 устройства 24 вывода - в рабочую камеру 28 устройства 14 расширения. В рабочей камере 28 обеспечивали направление струй потока масла, имеющих области кавитации, в сторону внутренней стенки 31 в области расположения внутренней поверхности 30 мишени 6. Регистрацию спектра излучения, получаемого с наружной поверхности 9 мишени 6, проводили с использованием комбинированного амплитудного рентгеновского и гамма-детектора XR-100T-CdTe на основе монокристалла CdT, который позволяет регистрировать излучение с разрешением не ниже 250 эВ во всем диапазоне энергий от 0.5 до 500 КэВ.
В исходном состоянии цвет веретенного масла был светло-коричневым и достаточно прозрачным, а само масло заполняло весь объем камеры 28.
При давлении около 25-30 атм в объеме масла после его выхода из каналов 27 наблюдали процесс формирования начальной турбулентности в виде вихрей, видимых невооруженным глазом. При возрастании давления до 35-40 атм средний размер турбулентных вихрей становится очень маленьким. При давлении 55-60 атм происходит поэтапное и синхронизованное с ростом давления увеличение прозрачности движущегося масла в пространстве после выхода из каналов 27, что вызвано уменьшением размера кавитационных пузырьков, и начинается отрыв потока движущейся жидкости от стенок рабочей камеры 28.
При увеличении давления до 70-80 атм после выхода из каналов 27 поток жидкости принимает вид прямолинейной струи, которая очень ярко светится в области спектра бело-голубого цвета, конфигурация которого полностью совпадает с формой струи быстро движущегося веретенного масла.
При детальном исследовании было обнаружено, что при протекании жидкости в режиме кавитации за пределами толстостенной герметичной камеры регистрируется интенсивное рентгеновское излучение.
При этом при давлении в диапазоне 35-40 атм около внешней поверхности камеры было зарегистрировано излучение с энергией около 1 КэВ в пределах полосы шириной 300 эВ.
При экспериментах, проведенных с нанесением на наружную поверхность 33 камеры 28 порошка меди, механически и акустически связанного с ее наружной поверхностью 33, в спектре, кроме линии с энергией 1 КэВ, появлялись интенсивные линии рентгеновского излучения с энергией около 3.5 КэВ.
При увеличении давления жидкости появлялись дополнительные более жесткие линии спектра, а амплитуда генерируемого спектра постепенно уменьшалась. Увеличение энергии генерируемого излучения связано с возрастанием энергии ударных волн, которые могли возбуждать более глубокие рентгеновские уровни, а уменьшение интенсивности связано с тем, что при возрастании давления меньшая часть струи жидкости касалась внутренних стенок 31 камеры 28. При достижении давления 55-60 атм генерация излучения прекращалась. Прекращение излучения связано с полным отрывом потока жидкости с кавитационными пузырьками от внутренней поверхности 31 камеры 28, в результате чего стала невозможной передача ударной волны из объема жидкости в мишень 16.
Таким образом, при применении способа получения рентгеновского излучения согласно изобретению было получено рентгеновское излучение. При этом спект полученного рентгеновского излучения был различен в зависимости от варианта выполнения используемой мишени.
Специалистам в области радиационных технологий должно быть понятно, что в способ получения рентгеновского излучения и устройство для его осуществления могут быть внесены различные усовершенствования и улучшения, не выходящие за рамки формулы изобретения. Например, могут быть применены различные варианты мишеней, например, с различной площадью нанесенных на основной материал мишени фрагментов других веществ, в зависимости от того, какое характеристическое излучение предполагается получать, что позволит реализовать источники рентгеновского излучения различных габаритов с различной мощностью.
Способ получения рентгеновского излучения согласно изобретению может быть осуществлен в устройстве для его осуществления согласно изобретению, выполненном с использованием известных технологических приемов и известного оборудования.
Настоящее изобретение может быть использовано в различных областях народного хозяйства, например в медицине, в нефтехимической промышленности, в пищевой промышленности.