Импульсный пироэлектрический ускоритель

Полезная модель относится к области рентгеновской техники и может быть использована для генерации рентгеновского излучения высокой импульсной мощности малогабаритным источником, применяемого в рентгенографии и рентгеноскопии, рентгенотерапии, рентгеновской дефектоскопии, рентгеноструктурном и рентгенофлуоресцентном анализах.
Наиболее распространенный и традиционный способ генерации импульсного рентгеновского излучения - это импульсные рентгеновские трубки, использующие внешний источник высокого напряжения между анодом и катодом, 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.).
В дальнейшем схема генерации рентгеновского излучения неоднократно модернизировалась, но основной принцип действия сохранялся. Например, использовались импульсные рентгеновские трубки для генерации импульсного рентгеновского излучения, описанные в патенте под названием «Система и способ получения импульсного монохроматического рентгеновского излучения» (US № 6687333 B2, публ. 25.01.1999 г.). В таких трубках осуществлялась импульсная модуляция пучка электронов путем изменения режима питания катодного узла.
Общими недостатками таких традиционных устройств являются большие энергозатраты, связанные, прежде всего, с необходимостью применения внешнего источника высоковольтного питания.
Другой известный способ генерации рентгеновского излучения, основан на применении пироэлектрического эффекта в пироэлектрических кристаллах. Этот эффект заключается в том, что при изменении температуры пироэлектрического кристалла, на его поверхности генерируется высокий потенциал, знак которого зависит от направления градиента температуры и используется для ускорения электронов в вакууме к мишени или к кристаллу и дальнейшей генерации рентгеновского излучения при торможении электронов в веществе. На таком принципе основана работа устройства, описанного в патенте под названием «Пироэлектрический источник рентгеновского излучения» (CN № 1287378 A, публ. 07.09.2000 г.). Техническое решение состоит из корпуса, пироэлектрического кристалла, мишени, нагревательного и охладительного устройств и теплоотвода.
Известно устройство под названием «Генератор рентгеновского излучения COOL-X» (http://amptek.com/products/cool-x-pyroelectric-x-ray-generator/), которое производится в США фирмой Amptek. COOL-X представляет собой миниатюрный рентгеновский генератор, принцип работы которого основан на пироэлектрическом эффекте. Герметичный металлический корпус источника имеет тонкое бериллиевое окно, предназначенное для вывода рентгеновских лучей. COOL-X не содержит радиоизотопы или источники питания высокой мощности. Это автономная, твердотельная система, которая генерирует рентгеновское излучение, когда на кристалл воздействуют термически.
Недостатком этого устройства также является отсутствие элементов управления для модуляции пучка ускоряемых электронов и, следовательно, потока рентгеновского излучения.
3
Наиболее близким к предлагаемому устройству является «Генератор электронов и рентгеновского излучения», описанный в патенте (US № 3840748 A, публ. 08.10.1974 г.). Устройство состоит заземлённого электрода, выполненного из тонкой металлической сетки, пироэлектрического кристалла, выполненного из LiNbO, который контактирует с нагревательным устройством - элементом Пельтье. Кристалл монтируется таким образом, что направление поляризации перпендикулярно его верхней поверхности. Все элементы расположены в вакуумной камере. Принцип работы описанного технического решения основан на пироэлектрическом эффекте, который позволяет генерировать рентгеновское излучение, не используя внешние высоковольтные источники напряжения.
Основным недостатком этого способа, основанного на пироэлектрическом эффекте, является отсутствие возможности управления процессом генерации рентгеновского излучения в пироэлектрических кристаллах при изменении их температуры. Это связанно с отсутствием элементов управления током электронов, ускоряемых в пироэлектрическом ускорителе.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание устройства, позволяющего генерировать импульсное рентгеновское излучение высокой мощности в пироэлектрическом ускорителе.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства, импульсного пироэлектрического ускорителя, который содержит вакуумную камеру, пироэлектрический кристалл, нагревательное устройство и заземленный электрод, причем нагревательное устройство выполнено в виде теплопровода с расположенным на нем кремниевым диодом, а заземленным электродом является поверхность пироэлектрического кристалла. Кроме того, предлагаемое устройство дополнительно включает термопару, которая контролирует изменение температуры на поверхности пироэлектрического кристалла и  управляемый катодный источник ускоренных электронов, выполненный в виде нити накала, которая установлена на металлической подложке.
Технический результат заключается в увеличении импульсной мощности пироэлектрического источника рентгеновского излучения за счет используемого управляемого катодного источника ускоренных электронов, выполненного в виде нити накала.
Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что используемый управляемый катодный источник, выполненный в виде нити накала, позволяет управлять потоком электронов, что делает возможным и управление генерируемого потока рентгеновского излучения.
Нагревательным устройством является кремниевый диод, который обеспечивает термическое воздействие на пироэлектрический кристалл в более широком диапазоне температур, чем используемый в прототипе элемент Пельтье.
Также устройство дополнительно включает термопару, которая позволяет контролировать изменение температуры пироэлектрического кристалла.
Первое преимущество предлагаемой полезной модели заключается в возможности получения импульсного рентгеновского излучения с высокой импульсной мощностью при существенно меньших энергозатратах. Второе преимущество состоит в отсутствии внешнего блока высоковольтного питания в связи с тем, что высокое напряжение, благодаря пироэлектрическому эффекту, вырабатывается внутри вакуумной металлической камеры. Третье преимущество заключается в высоковольтной безопасности, потому что в случае нарушения вакуума заряд с пироэлектрического кристалла стекает на землю и высокое напряжение исчезает. Четвертое преимущество заключается в возможности управления генерируемым потоком рентгеновского излучения, что позволяет создать источник рентгеновского излучения с высокой импульсной мощностью.
Полезная модель поясняется чертежами:
Фиг. 1 - Функциональная схема устройства.
Фиг. 2 - Схема осуществления работы устройства.
Устройство (Фиг. 1) состоит из пироэлектрического кристалла 1, теплопровода 2, кремниевого диода 3, термопары 4, металлической подложки 5, нити накала 6. Указанные элементы расположены в вакуумной камере 7. Вне ее - линейный транслятор 8,  детектор 9 (Фиг. 2).
-
Пироэлектрический кристалл 1 изготовлен из пироэлектрического материала с высоким пироэлектрическим коэффициентом (например, ниобата лития или танталата лития) в виде параллелепипеда или цилиндра. Пироэлектрический кристалл 1 крепится к заземленному теплопроводу 2, выполненному из алюминиевого сплава, с помощью электропроводящего клея таким образом, чтобы при нагреве на свободной поверхности пироэлектрического кристалла 1 образовывался положительный потенциал. Теплопровод 2 представляет собой цельную деталь сложной формы в виде цилиндра и диска и обеспечивает перенос тепла от кремниевого диода 3 к пироэлектрическому кристаллу 1. Площадь поверхности диска теплопровода 2 превышает площадь поверхности пироэлектрического кристалла 1, обеспечивая равномерный нагрев его поверхности. Кремниевый диод 3, предназначенный для нагрева пироэлектрического кристалла 1, крепится к теплопроводу 2 и осуществляет его равномерный нагрев. К диску теплопровода 2 с внешней стороны от пироэлектрического кристалла 1 крепится термопара 4, контролирующая изменение температуры на поверхности пироэлектрического кристалла 1. Параллельно поверхности пироэлектрического кристалла 1 на расстоянии, которое задается линейным транслятором 8 и превышает его высоту, не допуская соприкосновения с ним, расположена заземленная металлическая подложка 5. На заземленной металлической подложке 5 установлена нить накала 6, смещенная к краю, которая при нагреве эмитирует со своей поверхности свободные электроны (е), генерирующие рентгеновское излучение (hυ), которое регистрируется детектором 9.
Работает устройство в условиях вакуума при давлении остаточного газа в вакуумной камере 7 не более 1 мТорра. На пироэлектрический кристалл 1, который прикреплен к теплопроводу 2, оказывается термическое воздействие - нагрев, за счет подачи тока на кремниевый диод 3. Изменение температуры на поверхности пироэлектрического кристалла 1 контролируется термопарой 4. Вследствие пироэлектрического эффекта, из-за изменения температуры пироэлектрического кристалла 1 на его поверхности образуется положительный потенциал, обусловленный ориентацией вектора спонтанной поляризации. Нить накала 6 установлена на металлической подложке 5 на расстоянии от поверхности пироэлектрического кристалла 1, которое задается линейным транслятором 8 и превышает его высоту, чтобы не допустить искровых пробоев на нить накала 6. На нить накала б подается напряжение, в результате чего с ее поверхности эмитируют свободные электроны. Вследствие кулоновского притяжения двух разноименных зарядов, свободные электроны ускоряются к положительно заряженной поверхности пироэлектрического кристалла 1. А затем ускоренные электроны, эмитированные с поверхности нити накала 6, тормозятся на атомах, входящих в элементный состав пироэлектрического кристалла 1. В процессе торможения ускоренные электроны генерируют тормозное и характеристическое рентгеновское излучение высокой импульсной мощности, т.е. высокой интенсивности за короткий промежуток времени - порядка долей секунды, регистрируемое детектором 9.
В качестве примера осуществления работы устройства, для увеличения импульсной мощности пироэлектрического источника рентгеновского излучения использовался пироэлектрический кристалл 1 выполненный из ниобата лития в форме параллелепипеда. Геометрические параметры пироэлектрического кристалла 1: длина и ширина основания составляли - 20 мм, а высота - 10 мм. Теплопровод 2, закрепленный на линейном трансляторе 8 и заземленный через него, был выполнен из дюралюминия, диаметр цилиндра теплопровода 2 составлял 15 мм, а диск теплопровода 2 имел диаметр 4 0 мм и толщину 5 мм. На кремниевый диод 3 подавался ток порядка 10 А, при этом напряжение составляло порядка 1.8 В, что способствовало нагреву пироэлектрического кристалла 1. С помощью термопары 4 осуществлялся контроль температуры пироэлектрического кристалла 1, которая изменялась в диапазоне от 25°С до 75°С в процессе нагрева кремниевого диода 3 в течение 300 секунд. При этом граничная энергия рентгеновского излучения, регистрируемого с помощью полупроводникового кадмий-теллурового детектора 9 составила около 30 кэВ. Общее количество зарегистрированных событий генерируемого рентгеновского излучения, без подачи напряжения на нить накала б, составило 30000, зарегистрированных в течение около 300 секунд. Затем, продолжая нагрев пироэлектрического кристалла 1, на нить накала 6, расположенную на расстоянии 12 мм от пироэлектрического кристалла 1,которое задается линейным транслятором 8, было подано напряжение порядка 2 В. И было установлено, что интенсивность рентгеновского излучения возрастает на порядок, что составило примерно 300000 событий, зарегистрированных детектором 9 в течение 3-5 секунд, с момента включения нити накала 6. Таким образом, импульсная мощность источника рентгеновского излучения возросла приблизительно на два порядка. При этом давление остаточного газа в вакуумной камере 7 составляло порядка 1 мТорр.
5
Предлагаемое устройство может использоваться в рентгенографии -фотографирование внутреннего строения непрозрачных предметов при помощи рентгеновых лучей, где граничной энергии рентгеновского излучения порядка десятков кэВ будет достаточно при высокой интенсивности излучения порядка 1×10 событий в секунду. Предлагаемое устройство имеет миниатюрное компактное исполнение, геометрические размеры составляют порядка нескольких сантиметров, что делает его абсолютно мобильным. Также устройство найдет применение при создании на его основе рентгеновских мобильных анализаторов наличия дефектов в труднодоступных для исследования участках производимой продукции.