УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ НАПРАВЛЕННОГО ИМПУЛЬСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
DEVICE FOR GENERATION OF TARGETED PULSE X-RAY RADIATION

Изобретение относится к области рентгенотехники и может быть использовано при разработке и изготовлении различных устройств для медицины, рентгенографии, рентгеноспектрального анализа и дефектоскопии материалов, рентгеновской микроскопии.
2
-3
Общим требованием к источникам рентгеновского излучения (электромагнитное излучение в спектральной области между УФ- и гамма-излучением в пределах длин волн λ от 10 до 10 нм, или энергией фотонов hν от 10 эВ до нескольких МэВ) является простота их применения и возможность минимальными средствами управления формированием и геометрическими параметрами рентгеновского луча. В качестве источников рентгеновского излучения могут служить радиоактивные изотопы и устройства, генерирующие рентгеновское излучение. На практике наибольшее распространение получили такие устройства для генерации рентгеновского излучения, как рентгеновские трубки, интенсивность излучения которых на несколько порядков превосходит интенсивность изотопных источников. В настоящее время повышение технических и технологических характеристик источников рентгеновского излучения достигается за счет как совершенствования конструкции известных устройств, так и создания принципиально новых конструкций. Последнее предполагает создание функциональных сред, выполняющих роль как материалов для генерации рентгеновского излучения, так и управляющих устройств для преобразования сигналов.
Известны устройства для генерации рентгеновского излучения, основанные на воздействии в вакууме пучка электронов на твердотельную мишень, электронная подсистема материала которой определяет спектр рентгеновского излучения (Рентгенотехника. Справочник, кн. 1-2, М., 1980]. Во всех подобных системах имеются активные элементы - мишень и внешний источник потока электронов. Наиболее распространенное устройство для генерации рентгеновского излучения - рентгеновская трубка, в которой электроны, вырывающиеся из катода в результате термоэлектронной или автоэлектронной эмиссии, ускоряются электрическим полем и бомбардируют металлический (Cu, Ag, Co и др.) анод (мишень), атомы которого, возбуждаемые электронным ударом, и электроны, теряющие кинетическую энергию при торможении в веществе, испускают рентгеновское излучение. Тормозное рентгеновское излучение распространяется перпендикулярно направлению потока электронов, характеристическое - изотропно. К недостаткам предлагаемых разработок можно отнести сложность конструкции для управления изотропным пучком рентгеновского излучения.
Известны рентгеновские лазеры - источники когерентного электромагнитного излучения рентгеновского диапазона [УФН т.168, №8, стр.843-876. Проблема угловой расходимости и пространственной когерентности излучения рентгеновского лазера. П.Д. Гаспарян и другие], в которых эффект достигается обработкой мишени (иттрий и др.) мощными лазерами видимого и ИК-диапазонов (например, YAG-лазер). Длительность импульса генерации рентгеновского лазера составляет 0,1-10 нс и определяется временем жизни плазменного образования. Пороговые условия генерации рентгеновских лучей зависят от значений плотности ионов в плазме, инициирующих переход электронов на соответствующие уровни. Данное техническое решение недостаточно эффективно обеспечивает управление параметрами рентгеновского излучения.
2
2
2
Наиболее близким устройством для генерации рентгеновского излучения к заявляемому по своей технической сущности является устройство, представленное в работе [Чернега Н.В., Самойлович М.И., Белянин А.Ф., Кудрявцева А.Д., Клещева С.М. Генерация электромагнитного и акустического излучений в наноструктурированных системах // Нано- и микросистемная техника. 2011. №4. С.21-31]. Устройство включает рубиновый лазер (внешний источник энергии) с мощностью не менее 0,5 ГВт/см, опаловую матрицу - упорядоченную структуру из микросфер кремнезема (рентгеноаморфный SiO) диаметром 0,2-0,4 мкм, установленную на подложке (медной или кремневой), помещенной в контейнер с жидким азотом. Излучение рубинового лазера на длине волны λ=694,3 нм фокусировалось на образец опаловой матрицы при различных значениях плотности мощности на поверхности образца. В результате взаимодействия импульсного лазерного излучения (наносекундного диапазона длительности) с трехмерной фотонно-фононной средой - упорядоченной упаковкой наносфер SiО - генерировалось не только акустическое излучение в диапазоне 5-15 ГГЦ (подробнее в указанной статье и в патенте РФ №2371259), но и импульсное рентгеновское излучение, регистрируемое рентгеновской фотопленкой. Однако указанное устройство не дает возможность формировать направленное рентгеновское излучение, поскольку угол разброса таких импульсов (при небольшой расходимости отдельного импульса) как в телесном угле, так и в плоскости, перпендикулярной направлению падающего лазерного излучения составлял не менее двух радиан (до 110-120°).
Задачей настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего получение направленного рентгеновского излучения. Уменьшение угла разброса импульсов генерируемого рентгеновского излучения достигается за счет того, что опаловая матрица изготовлена в виде образца, имеющего плоскопараллельные поверхности, которые контактируют с пластинами из пьезоэлектрических материалов, изготовленных из монокристаллов с большим (свыше 0,2%) коэффициентом электромеханической связи, что позволяет создать выделенное направление для акустических волн, которые за счет фотон-фононного взаимодействия с рентгеновскими излучением (такой механизм подробно описан, например, в статье К.Н.Платонова, И.Н.Топтыгина и Г.Д.Фейшмана. Излучение частиц в средах с неоднородностями и когерентное тормозное излучение. УФН (1990), т.160, вып.4, стр.50-70). Предлагаемое устройство для генерации направленного импульсного рентгеновского излучения включает внешний источник энергии - рубиновый лазер; мишень - образец опаловой матрицы, и, в отличие от ранее применявшихся, образец опаловой матрицы выполнен с плоскопараллельными поверхностями, которые контактируют с пластинами из пьезоэлектрических материалов, изготовленных из кристаллов с большим (свыше 0,2%) коэффициентом электромеханической связи. Образец опаловой матрицы и пластины из пьезоэлектрического материала скреплены с использованием слоя смазки с температурой замерзания не ниже 200 К или механического зажима (струбцины) с усилием меньше разрушающего опаловую матрицу.
2
x
1-x
3
2
0.6
0.4
3
2
3
3
3
3
3
3
Технический результат предлагаемого устройства заключается в генерации направленного рентгеновского излучения, которую обеспечивает скрепление с плоскопараллельными поверхностями образца опаловой матрицы пластин из пьезоэлектрических материалов, изготовленных из кристаллов с большим (свыше 0,2%) коэффициентом электромеханической связи. По существу, технический результат заключается в том, что в такой конструкции образец опаловой матрицы, состоящей из упорядоченно расположенных микросфер SiO, диаметром 0,2-0,4 мкм, обладает способностью при воздействии мощного лазерного излучения генерировать направленное рентгеновское излучение при условии создания в образце выделенного направления для одновременно возбуждаемых акустических колебаний. В качестве монокристаллов пьезоэлектрических материалов используются стронций-ниобат бария (SBN, SrBa(NbO), в частности SrВа(NbO)), ниобат лития (LiNbO) или титанат бария (BaTiO). Таким образом, устройство включает в себя композиционную структуру, которая состоит из пластин пьезоэлектрических материалов и образца опаловой матрицы: пьезоэлектрик - опаловая матрица - пьезоэлектрик (например, SBN - опаловая матрица - SBN, LiNbO - опаловая матрица - LiNbO, BaTiO - опаловая матрица - BaTiO и другие). Образец опаловой матрицы скрепляется с пластинами пьезоэлектрических материалов различными способами, при этом предлагаемые методы крепления обеспечивают стойкость конструкции к разрушению от механических напряжений, возникающих при воздействии лазерного излучения на композиционную структуру.
2
Техническое решение можно продемонстрировать иллюстрацией, представленной на рис.1, на котором показана схема устройства для генерации направленного импульсного рентгеновского излучения, где: 1 - рубиновый лазер, 2 - образец опаловой матрицы (упорядоченная структура из микросфер рентгеноаморфного кремнезема (SiO) диаметром 0,2-0,4 мкм), 3, 4 - пластины из монокристаллов пьезоэлектрических материалов (ниобат лития, титанат бария, SBN), 5 - пучок накачки, 6 - рентгеновская кассета с пленкой, 7 - подложка, 8 - кювета с жидким азотом, 9 - смазка.
2
2
5
4
2
5
4
4
2
5
2
5
4
2
2
5
4
2
Объемные заготовки рентгеноаморфного кремнезема, сформированные на основе упорядоченно расположенных наносфер SiO, из которых вырезались образцы опаловых матриц с плоскопараллельными поверхностями, изготавливали реакцией гидролиза тетраэфира ортокремниевой кислоты (Si(OCH)) в этаноле (СНOН) в присутствии катализатора - гидрооксида аммония (NHOH) (смешение 1 части NHOH (25% водный раствор), 50 частей СНOН и 1,6 частей Si(OCH), предварительно прогретого при температуре 105°С в течение 180 минут). Изготовленная суспензия наносфер рентгеноаморфного кремнезема помещается в сосуд из кварцевого стекла на срок 2-3 месяца (в зависимости от заданного объема осаждаемого материала). Полученная заготовка подвергалась сушке и термообработке в сушильном шкафу при 150°С в течение суток и в муфельной печи при 700°С в течение 10 часов. Для получения объемного материала с заданными диаметрами микросфер SiO в диапазоне 200-400 нм изменяют концентрацию Si(OCH) и другие технологические параметры. Технология получения и реальное строение рентгеноаморфного кремнезема, представленного упорядоченной упаковкой микросфер SiO, подробно рассмотрены в литературе, например в книге: [Наноматериалы. III. Фотонные кристаллы и нанокомпозиты на основе опаловых матриц // Коллективная монография. Под ред. М.И.Самойловича. М.: Техномаш. 2007. 303 с.].
2
2
Предлагаемое устройство для генерации направленного импульсного рентгеновского излучения включает в себя рубиновый лазер, работающий в режиме модуляции добротности (внешний источник энергии) (длина волны генерации 694,3 нм, длительность одиночных импульсов 20 нс), мощностью не менее 0,5 ГВт/см (1), композиционную структуру, состоящую из образца опаловой матрицы - упорядоченной структуры из микросфер SiO диаметром 0,2-0,4 мкм (опаловая матрица изготовлена в виде образца, имеющего плоскопараллельные поверхности) (2), на которых закреплены с использованием смазки (9) пластины пьезоэлектрических материалов (3 и 4), изготовленных из монокристаллов с большим (свыше 0,2%) коэффициентом электромеханической связи. Излучение лазера фокусировалось на композиционную структуру, которая установлена на массивной (обеспечивается интенсивный отвод тепла от композиционной структуры) подложке (медь или кремний) (7). Подложка (7) с закрепленной композиционной структурой (3-2-4) при необходимости размещалась в кювету с жидким азотом (8) таким образом, чтобы композиционная структура находились над поверхностью азота. Образец опаловой матрицы между пластинами пьезоэлектрических материалов закрепляется с использованием жидкости - смазки (например, силиконовой, глицерина и других) с температурой замерзания не ниже 200 К. Образец опаловой матрицы и пьезоэлектрические пластины могут быть также закреплены с использованием механического зажима (струбцины) с усилием меньше разрушающего образец опаловой матрицы. Управление генерируемым рентгеновским излучением обеспечивает плотный контакт, не разрушающий композиционную структуру, и максимальный эффект уменьшения разброса отдельных импульсов рентгеновского излучения, фиксируемый по поперечным размерам области засвечивания рентгеновской пленки (характеризующей указанный разброс телесным углом, измеряемым по углу с вершиной в центре образца для азимутальной плоскости, перпендикулярной направлению падающего лазерного излучения и проходящей через центры поверхностей, к которым крепятся пластины). Вид областей затемнения рентгеновской пленки при генерации по прототипу (а) и по предлагаемому способу (б) приведен на рис.2.
Лазерный луч направляют параллельно поверхностям контакта опаловой матрицы и пластин, изготовленных из пьезоэлектрических материалов, обладающих высокой пьезоэлектрической эффективностью (коэффициент электромеханической связи более 0,2%). Расстояние между рентгеновской кассетой с пленкой (6) и образцом опаловой матрицы (2) - 50 мм.
Осуществление изобретения
2
Было изготовлено устройство, состоящее из рубинового лазера, чье излучение воздействует на образец опаловой матрицы, сформированной на основе упорядоченно расположенных микросфер SiO диаметром 0,25 мкм. Образцы опаловых матриц, изготовленные механической обработкой с использованием шлифовальной техники, с размерами 5×5×2(3) мм закрепляли между пластинами (5×5×1(2) мм), изготовленными из пьезоэлектрического материала. Для оценки показателей устройства были проведены испытания с применением композиционных структур, в которых пластины пьезоэлектриков изготавливали из различных пьезоэлектрических материалов, выращенных различными методами. Использовались пластины, вырезанные из объемных монокристаллов, при этом кристаллографическая ось Z ориентировалась перпендикулярно плоскости пластины. Перед нанесением смазки на пластины пьезоэлектрических материалов проводилась подготовка контактной поверхности (обработка во фтористо-водородной кислоте с последующей отмывкой в проточной воде, обработка этанолом и сушка в термостате при 100°С в течение 30-40 минут). Были изготовлены различные серии образцов, отличающиеся по толщине пластин.
-3
Рентгеновская пленка закреплялась на краю кюветы, заполненной жидким азотом, на расстоянии 50 мм от образца опаловой матрицы, размещенного на медной подложке. Сигнал представлял собой небольшую по диаметру область - яркую точку размером порядка 0,2 мм с характерным пространственным распределением. Изменение интенсивности лазерного излучения не приводило к изменению размера пятна. Удаление кассеты от образца на расстояние от 50 до 200 мм не приводило к существенному изменению размера и относительной интенсивности регистрируемого сигнала, что свидетельствовало о небольшом телесном угле излучения (<1·10 рад) для одиночного импульса. Измерения проводились в температурном диапазоне от комнатной температуры (300 К) до температур, близких к температуре жидкого азота (90-100 К). Регистрация пространственного распределения излучения рентгеновского диапазона осуществлялась с использованием рентгеновских кассет РЕНЕКС ЭУ-И4 в комбинации с пленкой Kodak, предназначенных для рентгеновского излучения, получаемого с использованием рентгеновских трубок с напряжением на них в интервале от 40 до 100 кВ. Вид областей затемнения рентгеновской пленки при генерации по прототипу (а) и по предлагаемому способу (б) показан на рис.2.
Излучение рубинового лазера фокусировалось на поверхность композиционной структуры, для чего использовались линзы с различным фокусным расстоянием. Измерения проводились для различных значений плотности мощности на поверхности образца. Лазерный луч направляют параллельно поверхностям контакта образца опаловой матрицы и пластин пьезоэлектрических материалов.
2
В таблице 1 приведены примеры осуществления предлагаемого устройства с использованием различных пьезоэлектрических материалов и методов их крепления к образцу опаловой матрицы в экспериментах, проводимых как при комнатной температуре, так и при охлаждении жидким азотом. Все сравнительные измерения проводились на образах опаловых матриц размером 5×5×3 мм при фиксированном расстоянии центр образца - рентгеновская пленка (50 мм), для сравнения с материалами с небольшим коэффициентом электромеханической связи использовались пластины, вырезанные из кристалла пьезокварца (SiO).
Таблица 1.
Показатели генерируемого рентгеновского излучения.
№ примера
Параметры образца опаловой матрицы
Материал пьезоэлектрика
Расходимость рентгеновского излучения, рад
Температура образца, К
Крепление с пластиной пьезоэлектрика
1. Прототип
300
-
-
2
2. Прототип
90
-
-
2
3
300
Глицерин
SBN
1·10<sup>-1</sup>
4
90
Глицерин
SBN
<1·10<sup>-1</sup>
5
300
механическое
SBN
1·10<sup>-3</sup>
6
150
Глицерин
SBN
1·10<sup>-1</sup>
7
300
механическое
SBN
1·10<sup>-1</sup>
9
100
механическое
LiNbO<sub>3</sub>
1·10<sup>-1</sup>
10
100
силиконовая смазка
LiNbO<sub>3</sub>
<1·10<sup>-1</sup>
11
300
силиконовая смазка
BaTiO<sub>3</sub>
1·10<sup>-1</sup>
12
90
Ацетон
BaTiO<sub>3</sub>
1·10<sup>-1</sup>
13
300
Глицерин
SiO<sub>2</sub>
1,5
14
100
Глицерин
SiO<sub>2</sub>
1,5
При применении устройства, соответствующего прототипу, без использования пластин на основе пьезоэлектрических материалов происходит генерация рентгеновского излучения, направление распространения которого не воспроизводится и происходит большое расхождение пучка.
Таким образом, предлагаемое устройство значительно уменьшает разброс единичных импульсов рентгеновского излучения, так что имеет место направленность генерируемого рентгеновского излучения. Данное техническое решение позволяет: создать источник направленного импульсного рентгеновского излучения на основе нового недорогого материала из рентгеноаморфного кремнезема заданного строения.