Миниатюрный пьезоэлектрический генератор рентгеновского излучения

Полезная модель относится к области ускорительной техники и может быть использована для генерации рентгеновского излучения, которое применяется как при проведении фундаментальных физических исследований, так и в областях практического характера: рентгенография, рентгеноскопия, рентгенотерапия, рентгеновская дефектоскопия, рентгеноструктурный и рентгенофлуоресцентный анализы.
3
Одним из наиболее эффективных способов генерации рентгеновского излучения является – пироэлектрический источник. Электроны генерируются при нагреве пироэлектрического кристалла ниобата лития (LiNbO) в вакууме до температуры достаточной для поляризации материала и создания электрического поля на его поверхности. В таком электрическом поле происходит электронная эмиссия с поверхности пироэлектрического кристалла в вакууме. Электроны могут генерировать рентгеновское излучение в процессе их бомбардировки заземленной мишени, расположенной напротив поверхности пироэлектрического кристалла. Такой принцип генерации рентгеновского излучения описан, в патенте «Генератор электронов и рентгеновского излучения» (US № 3840748 A, публ. 08.10.1974 г.).
Недостатком этого способа, основанного на явлении электронной эмиссии с поверхности пироэлектрического кристалла при его нагреве в вакууме, является ограниченный диапазон рабочих температур и, как следствие, ограниченная интенсивность рентгеновского излучения, а также необходимость использования теплоизоляционных материалов для предотвращения рассеяния тепла. Недостатком является образующийся на поверхности пироэлектрического кристалла градиент температур, что приводит к неравномерному распределению заряда на его поверхности.
Другим способом ускорения заряженных частиц в сильных электрических полях в вакууме, приводящим к генерации рентгеновского излучения, является использование трибоэлектрического источника, описанного в патенте «Трибоэлектрический источник рентгеновского излучения» (US № 9093248 B2, публ. 28.07.2005 г.). Устройство состоит из двух диэлектрических контактов, представляющих собой подвижный силиконовый стержень и эпоксидную подложку, установленную на тефлоновую подложку, а также твердотельного детектора рентгеновского излучения. В процессе механического взаимодействия (трения) с частотой порядка 20 Гц двух диэлектрических контактов происходит их поляризация. На поверхности одного диэлектрика образуется отрицательный высокий потенциал, на поверхности другого положительный, при отдалении двух диэлектрических материалов на расстоянии около 5 мм друг от друга. Таким образом, энергетически выгодным в данном случае является процесс электронной эмиссии с поверхности отрицательно заряженной диэлектрической пластины к поверхности пластины, имеющей положительный заряд. Электроны, испытавшие взаимодействие с одной из диэлектрических поверхностей, инициируют эмиссию рентгеновских лучей.
К недостаткам данного способа генерации рентгеновского излучения за счет трибоэлектрического эффекта в вакууме, можно отнести быстрый износ контактирующих поверхностей диэлектрических материалов, что существенно ограничивает продолжительность эмиссии рентгеновских лучей, а также перегрев фрикционных контактов, приводящий к нестабильной генерации радиационного излучения.
Альтернативным способом ускорения заряженных частиц и генерации рентгеновского излучения является источник, основанный на работе пьезоэлектрического трансформатора в вакууме «Низкомощный компактный пьезоэлектрический излучатель частиц» (US № 9883576 B2, публ. 30.01.2018 г.). Пьезоэлектрический трансформатор, представляющий собой цельную пластину из ниобата лития, состоит из входной секции, в виде двух посеребренных поверхностей, расположенных параллельно через диэлектрический слой, и выходной секции, расположенной на торцевой части пластины, также покрытой серебряным слоем. На вход первой секции подается переменное напряжение, что приводит к возникновению механических колебаний, вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта. Колебания распространяются вдоль пластины и приводят к генерации напряжения на торцевой части выходной секции. При частоте колебаний напряжения на входной секции около 20 кГц наблюдается резонансное явление, приводящее к значительному усилению напряжения на торцевой части выходной секции, являющейся эмиттером электронов в вакууме. Ускоренные электроны в электрическом поле, взаимодействуя с заземленной мишенью, генерируют рентгеновское излучение.
Недостатками описанного способа генерации рентгеновского излучения, основанного на работе пьезоэлектрического трансформатора в вакууме, является самопроизвольный нагрев пьезоэлектрического трансформатора, что приводит к изменению величины резонансной частоты, значение которой приходится постоянно подстраивать с помощью внешнего генератора импульсов. Также недостатком является то, что возникающая электронная эмиссия приводит к увеличению среднего положительного потенциала на эмиттере пьезотрансформатора, что вызывает необходимость внедрения в конструкцию такого источника дополнительного эмиттера электронов, обеспечивающего стабильную генерацию отрицательного синусоидального напряжения на выходном конце пьезоэлектрического трансформатора.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является «Генератор рентгеновского излучения при деформации пьезоэлектрика в вакууме» (RU № 176453 U1, публ. 19.01.2018 г.), который содержит два пьезоэлемента (пьезоэлектрические кристаллы или пьезоэлектрическая керамика), высоковольтный электрод, два заземленных электрода и два актюатора. Недостатками этого устройства являются: необходимость использования дополнительного электрооборудования, приводящего в действие подвижный актюатор, для обеспечения механического воздействия на пьезоэлементы в вакууме, а также существенные энергетические потери при трансформации механической энергии в энергию рентгеновского излучения, обусловленные дополнительной емкостью центрального электрода и высокой вероятностью возникновения электрических разрядов по боковой поверхности пьезоэлементов.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание устройства, позволяющего генерировать высокоинтенсивное и высокоэнергетическое рентгеновское излучение в широком диапазоне длин волн, путем механического воздействия на пьезоэлементы, с наименьшими потерями энергии в процессе энергетического преобразования.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства – миниатюрного пьезоэлектрического генератора рентгеновского излучения, которое содержит два пьезоэлемента, высоковольтный электрод, причем, устройство дополнительно содержит вакуумную камеру в которой расположены пьезоэлементы, соединенные между собой высоковольтным электродом с присоединенным к нему высоковольтным проводом, зафиксированные прижимными дисками и помещенные в диэлектрический кожух и установленные внутрь каркаса, на котором закреплен рычаг, выполненный в виде соединенных между собой пластин, каждая из которых прикреплена к одному из прижимных дисков, и с возможностью осуществления механического воздействия на пьезоэлементы, кроме того, напротив свободного конца высоковольтного провода установлена мишень, являющаяся источником распространения рентгеновского излучения.
Предлагаемое устройство отличается от прототипа  тем, что для его работы не требуется дополнительный электроприбор для воздействия на пьезоэлементы, что позволяет привести его в действие минимальным усилием. Также в конструкции предлагаемого устройства используется электрод, обладающий меньшей электрической емкостью, что уменьшает потери энергии в процессе генерации рентгеновского излучения и диэлектрический кожух, наличие которого позволяет достичь более высоких значений величины электрического потенциала и, как следствие, граничной энергии рентгеновского излучения при механическом воздействие на пьезоэлементы в вакууме.
Технический результат заключается в генерации высокоинтенсивного и высокоэнергетического рентгеновского излучения в широком диапазоне длин волн, с наименьшими потерями механической энергии в процессе ее преобразования в результате механического воздействия на пьезоэлементы.
Первое преимущество предлагаемой полезной модели заключается в уменьшении потерь механической энергии при ее трансформации в энергию рентгеновского излучения. Второе преимущество заключается в возможности достижения более высоких энергий генерируемого рентгеновского излучения, за счет использования в конструкции устройства диэлектрического кожуха, в который помещены пьезоэлементы. Третье преимущество заключается в отсутствии необходимости в дополнительном электроприборе для воздействия на пьезоэлементы.
Полезная модель поясняется чертежом.
Фиг. 1 – функциональная схема устройства.
Устройство состоит из вакуумной камеры 1, двух пьезоэлементов 2, высоковольтного электрода 3, высоковольтного провода 4, двух прижимных дисков 5, диэлектрического кожуха 6, каркаса 7, мишени 8 и рычага 9.
Вакуумная камера 1 с фланцами, корпус которой заземлен, представляет собой ограниченный объем. Пьезоэлементы 2 изготовлены из пьезоэлектрического материала в виде цилиндров, и соединены между собой через высоковольтный электрод 3, выполненный из металла в форме диска. Пьезоэлементы 2, с расположенным между ними высоковольтным электродом 3, устанавливаются механически последовательно и электрически параллельно, таким образом, чтобы вектор спонтанной поляризации  каждого пьезоэлемента 2 был направлен к высоковольтному электроду 3. Высоковольтный провод 4 представляет собой металлический провод с одной жилой, находящийся в изоляции. Между высоковольтным электродом 3 и высоковольтным проводом 4 обеспечивается электрический контакт методом точечной сварки. Прижимные диски 5, выполненные из металла, позволяют жестко зафиксировать пьезоэлементы 2, с расположенным между ними высоковольтным электродом 3, к которому присоединен высоковольтный провод 4. Диэлектрический кожух 6, внутрь которого помещены зафиксированные прижимными дисками 5 пьезоэлементы 2 и высоковольтный электрод 3 с присоединенным высоковольтным проводом 4, выполнен из диэлектрического материала и предназначен для предотвращения электрических разрядов и для уменьшения величины токов утечек по боковой поверхности пьезоэлементов 2. При этом свободный конец высоковольтного провода 4 должен оставаться вне диэлектрического кожуха 6. Каркас 7, изготовленный из металла, имеет открытые торцы и сквозное прямоугольное отверстие, которое обеспечивает подвод высоковольтного провода 4 к высоковольтному электроду 3 и вывод его свободного конца под прямым углом к центру мишени 8, которая является источником распространения рентгеновского излучения. Рычаг 9, установленный на каркас 7, позволяет осуществлять механическое воздействие на пьезоэлементы 2 и представляет соединенные между собой металлические пластины, каждая из которых прикреплена к одному из прижимных дисков 5 посредством шарнирных соединений.
Устройство работает следующим образом. В вакуумную камеру 1 устанавливаются собранные два пьезоэлемента 2 и высоковольтный электрод 3 между ними с присоединенным высоковольтным проводом 4, которые жестко зафиксированы прижимными дисками 5, помещены в диэлектрический кожух 6 и установлены внутрь каркаса 7. При этом свободный конец высоковольтного провода 4 должен оставаться вне диэлектрического кожуха 6. На пьезоэлементы 2 со стороны прижимных дисков 3 оказывается механическое воздействие рычагом 9. Величина механического воздействия определяется вертикальным смещением рычага 9 относительно его первоначального положения, при котором нагрузка на пьезоэлементы 2 равна 0 Н. Максимальная величина нагрузки, приложенной к рычагу 9, не превышает 50 Н, но при этом нагрузка на пьезоэлементы 2 может достигать порядка 1кН. В процессе осуществления механического воздействия на пьезоэлементы 2 на высоковольтном электроде 3 образуется отрицательный заряд, величина которого зависит от прикладываемой нагрузки. На высоковольтном проводе 4, который присоединен к высоковольтному электроду 3, также образуется отрицательный заряд. Свободные электроны с неровностей поверхности свободного конца высоковольтного провода 4 ускоряются в направлении к мишени 8 в сильном электрическом поле, вследствие полевой эмиссии. Взаимодействие свободных электронов с атомами мишени 8 приводит к генерации высокоинтенсивного и высокоэнергетического рентгеновского излучения. При достижении максимальной нагрузки, приложенной к пьезоэлементам 2, генерация рентгеновского излучения не прекращается, ее продолжительность зависит от скорости разрядки высоковольтного провода 4. При необходимости, генерация рентгеновского излучения может быть прекращена мгновенной разрядкой высоковольтного провода 4 за счет его замыкания на землю.
Пример.
2
5
Для осуществления работы предлагаемое устройство размещается в вакуумную камеру 1, давление в которой 10-0,01 мТорр, причем вакуумная камера 1 заземлена. В качестве пьезоэлементов 2 была использована пьезоэлектрическая керамика, изготовленная из материала цирконата-титаната свинца ЦТС-43. Диаметр пьезоэлементов 2 составляет 6,4 мм, высота – 7,5 мм, значение диэлектрической проницаемости находится в диапазоне 1500-2250. К высоковольтному электроду 3, высотой 1 мм и диаметром, равным диаметру пьезоэлементов 2, путем точечной сварки прикреплен высоковольтный провод 4. Высоковольтный провод 4 выполнен из меди и имеет площадь поперечного сечения равную 0,5 мм. Два прижимных диска 5 выполнены из нержавеющей стали, высотой 1 мм и диаметром равным диаметру пьезоэлементов 2. Диэлектрический кожух 6 имеет сквозное отверстие, внутренних диаметр которого равен диаметру пьезоэлементов 2, а внешний порядка 8,4 мм и изготовлен из полипропилена. Каркас 7, изготовленный из нержавеющей стали, имеет длину 35 мм, высоту и ширину около 12 мм, с толщиной стенок порядка 1 мм. Рычаг 9, закрепленный на каркасе 7, представляет соединенные между собой металлические пластины длиной порядка 100 мм, расстояние между которыми составляет 10 мм. Мишень 8, расположенная на расстоянии порядка 3 мм от свободного конца высоковольтного провода 4, выполнена из титановой фольги толщиной порядка 100 мкм. Вертикальное перемещение рычага 9 осуществлялось с помощью механического манипулятора ручного управления. Величина нагрузки, приложенная к рычагу 9, составляла 100 Н (~10кг), но при этом нагрузка на пьезоэлементы 2 достигала порядка 1кН. В результате механического воздействия на пьезоэлементы 2 в течение нескольких секунд, на поверхности высоковольтного электрода 3 и, как следствие, на поверхности высоковольтного провода 4 возникает отрицательный заряд. Таким образом, между высоковольтным проводом 4 и заземленной мишенью 8 образуется сильное электрическое поле. Свободные электроны, ускоренные в электрическом поле, ускоряются в направлении к заземленной титановой мишени 8 и генерируют рентгеновское излучение с граничной энергией около 14 кэВ, тормозясь на ее атомах. Спектр рентгеновского излучения регистрировался полупроводниковым кремниевым детектором  Amptek – CdTe123. Общее количество зарегистрированных событий рентгеновского излучения генерируемого при работе устройства в течение 10 секунд составляет 10.
Предлагаемое устройство найдет применение в ускорительной технике для генерации ускоренных пучков заряженных частиц. Также данное устройство может найти применение в промышленной индустрии, например, при выявлении наличия примесей в продукции нефтегазодобывающих компаний. Устройство генерирует рентгеновское излучение с граничной энергией порядка нескольких десятков кэВ, что позволяет его использовать в рентгенотерапии, в частности при диагностике локальных участков поврежденных органов человека.