СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF GENERATING PULSED X-RAY RADIATION

Изобретение относится к области рентгенотехники и может быть использовано в медицине, рентгенографии, дефектоскопии материалов и рентгеновской микроскопии.
Известны различные способы генерации в твердотельных системах импульсного рентгеновского излучения, основаны на создании потока заряженных частиц и его взаимодействии с твердым телом. Известен способ генерации рентгеновского излучения, основанный на воздействии в вакууме пучка электронов на твердотельную мишень, электронная подсистема материала которой определяет спектр рентгеновского излучения [Рентгенотехника. Справочник, кн. 1-2, М. 1980]. Способ включает создание в вакууме определенной концентрации электронов, вырываемых из катода в результате термоэлектронной или автоэлектронной эмиссии, ускорение потока электронов электрическим полем и бомбардировка мишени потоком электронов. Перечисленные операции приводят к испусканию рентгеновского излучения за счет возбуждения электронных переходов в атомах мишени и потери кинетической энергии при торможении бомбардирующих мишень электронов. К недостаткам предлагаемых разработок можно отнести необходимость создания глубокого вакуума и громоздкость конструкции электрического обеспечения процесса.
Известен способ генерирования рентгеновского излучения посредством воздействия на мишень мощными лазерными пучками видимого и ИК-диапазонов (например, YAG-лазера) [УФН т.168, №8, с.843-876. Проблема угловой расходимости и пространственной когерентности излучения рентгеновского лазера. П.Д Гаспарян и другие]. Способ включает создание лазерного излучения, обработку лазерного луча, возбуждение среды воздействия лазером, бомбардировка плазмой поверхности мишени, приводящей к генерированию рентгеновского излучения, при этом 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.
Наиболее близким способом генерации рентгеновского излучения к заявляемому по своей технической сущности является способ, представленный 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].
2
-3
Способ генерации импульсного рентгеновского излучения с малой угловой расходимостью под действием импульсного лазерного излучения включает фокусирование лазерного излучения рубинового лазера оптической системой и воздействие излучения на охлажденную опаловую матрицу - упорядоченную структуру из микросфер кремнезема диаметром 0,2-0,4 мкм. В результате взаимодействия импульсного лазерного излучения (наносекундного диапазона длительности) с трехмерной фотонно-фононной средой - решетчатой упаковкой наносфер SiO генерировалось рентгеновское излучение, регистрируемое рентгеновской фотопленкой. Однако указанный способ не дает возможность формировать импульсное рентгеновское излучение с расходимостью менее 1·10 рад.
2
2
Технический результат предлагаемого способа заключается в уменьшении угловой расходимости импульсного рентгеновского излучения. Такой способ генерации импульсного рентгеновского излучения с малой угловой расходимостью основан на фокусировании лазерного излучения рубинового лазера оптической системой и воздействие импульсным лазерным излучением мощностью 0,25-10,0 ГВт/см на охлажденный до температуры ниже 200 К образец опаловой матрицы - упорядоченную структуру из микросфер рентгеноаморфного кремнезема (SiO) диаметром 0,2-0,4 мкм, чьи межсферические нанополости заполнены веществами с величиной диэлектрической проницаемости (ε) не менее 2,5 с коэффициентом заполнения в интервале 30-85%.
2
2
Техническое решение, основанное на зависимости степени пространственной когерентности импульсного от мощности лазерного излучения, а также коэффициента и материала заполнения межсферических микрополостей, играющих роль микрорезонаторов, можно продемонстрировать с использованием иллюстраций, представленных на рис.1-3. Особенности геометрического и реального строения опаловых матриц представлены на рис.1, на котором приведен снимок поверхности (при исследованиях строения образцов опаловой матрицы применялся растровый электронный микроскоп CARL ZEISS LEO 1430 VP) опаловой матрицы и схема строения подрешетки ее межсферических нанополостей и показано: а) строение (растровая электронная микроскопия) поверхности объемного образца опаловой матрицы, б) тетраэдрические и октаэдрические полости (по числу формирующих полость сфер), образованные микросферами SiO (D - диаметр микросфер SiO); в) объемная модель полостей и соединяющих их каналов. Имеющаяся в опаловых матрицах упорядоченная подрешетка микрополостей, играющих роль микрорезонаторов для тормозного излучения в рентгеновском диапазоне электронов, генерируемых при воздействии лазерного излучения, обладает различными характеристиками в зависимости от соотношения значений диэлектрических проницаемостей основы (в данном случае микросфер рентгеноаморфного кремнезема с ε=2,2-2,3) и межсферической микрополости, заполненной различными веществами в жидком или твердом состоянии.
Облучение образца опаловой матрицы рубиновым лазером проводилось в соответствии со схемой экспериментальной установки, представленной на рис.2, где 1 - лазер, 2 - лазерный луч, 3 - оптическая система фокусирования лазерного излучения на образец, 4 - образец опаловой матрицы (упорядоченная структура из микросфер кремнезема диаметром 0,2-0,4 мкм), 5 - рентгеновское излучение, 6 - система регистрации рентгеновского излучения, 7 - подложка, 8 - кювета с жидким азотом. Рентгеновская пленка закреплялась на краю кюветы, заполненной жидким азотом, на расстоянии 50 мм от образца, размещенного на медной подложке.
2
2
5
4
2
5
4
4
2
5
2
5
4
2
2
Процесс формирования объемных заготовок на основе плотнейших кубических упаковок сферических частиц SiQ основан на реакции гидролиза тетраэфира ортокремневой кислоты (Si(OCH)) в CHOH в присутствии NHOH (смешение 1 части NHOH (25% водный раствор), 50 частей CHOH и 1,6 частей Si(OCH), предварительно прогретого при температуре 105°С в течение 180 минут). Изготовленная суспензия микросфер рентгеноаморфного кремнезема выдерживалась 2-3 месяца (в зависимости от заданного объема осаждаемого материала). После отстаивания суспензии, удаления гидролизата и упрочнения осадка получали объемный материал с упорядоченным расположением наносфер SiO. В плотнейшей упаковке (степень заполнения пространства наносферами SiO составляет 74,05%) наносферы образуют тетраэдрические и октаэдрические полости с размерами от 0,05 до 0,15 мкм для указанных диаметров микросфер. Подобные полости занимают около 24% от общего объема и могут быть заполнены различными веществами.
2
2
В зависимости от условий получения диаметр микросфер SiO может варьироваться от 0,2 до 0,4 мкм. Технология получения рентгеноаморфного кремнезема, представленного упорядоченной упаковкой наносфер 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
-3
На рис.3 дан рентгеновский снимок, полученный для образца опаловой матрицы, представляющего упорядоченную упаковку микросфер SiО диаметром 0,25 мкм (межсферические нанополости заполнены иттрием хлористым растворенным в воде в с концентрацией 10 грамм/100 мл с коэффициентом заполнения 70%), при интенсивности накачки - 0,4 ГВт/см (поперечный размер пятна 1,1 мм, что соответствует угловой расходимости менее 1·10 рад). Растворимость различных веществ и получаемые значения диэлектрической проницаемости определялись по справочным данным и контролировались с использованием диэлектрического анализатора Novocontrol Alpha AN.
Осуществление изобретения
В качестве источника возбуждающего излучения использовался лазер (1) на рубине, чей частотный диапазон с длиной волны генерации 694,3 нм, работающий в режиме модуляции добротности и длительностью одиночных импульсов - 20 нс. Излучение лазера фокусировалось на образец, расположенный на медной подложке, помещенной в кювету с жидким азотом. Возбуждающее излучение фокусировалось в вещество линзами с различным фокусным расстоянием (50, 90 и 150 мм). Расстояние опаловой матрицы от фокусирующей системы и энергия возбуждающего излучения менялись, что давало возможность проводить измерения для различной плотности мощности накачки в образец опаловой матрицы и для различного распределения поля в микрополостях внутри образца. Облучение образца опаловой матрицы рубиновым лазером проводилось в соответствии со схемой, представленной на рис.2. Рентгеновская пленка закреплялась на краю кюветы, заполненной жидким азотом, на расстоянии 50 мм от центра образца, размещенного на медной подложке.
2
Межсферические нанополости образцов опаловых матриц, изготовленных механической обработкой исходных заготовок (использованные образцы опаловых матриц имели размеры 5×5×3 мм или произвольную форму, образованную раскалыванием исходной заготовки), были заполнены различными веществами. Заполнение твердыми веществами проводили методом пропитки растворами солей (нитраты, хлориды и др.) металлов с последующим отжигом на воздухе. Указанные выше параметры межсферических микрополостей и их соединяющих каналов определяют эффективность применения метода пропитки при введении растворов в межсферические нанополости и последующего синтеза (отжиг) необходимых соединений. Степень заполнения межсферических микрополостей материалами, вводимыми пропиткой водными растворами солей, от числа пропиток (экспериментальные данные) представлены в таблице 1. Правильность упаковки наносфер SiO сохраняется при введении (в том числе и в процессе их формирования) в межсферические микрополости различных веществ.
Исследовались как образцы опаловых матриц, так и нанокомпозиты (образцы опаловых матриц с микрополостями, заполненными веществами с величиной диэлектрической проницаемости (ε) не менее 2,5 с коэффициентом заполнения в интервале 30-85%, например, водными растворами различными (в частности, нитратов или хлоридов) солей металлов, оксидами металлов, самими металлами, а также жидкостями с указанными параметрами или их смесями.
Таблица 1.
Заполнение межсферических нанополостей материалами, вводимыми пропиткой водными растворами солей (экспериментальные данные)
Число пропиток
Степень заполнения объема межсферических нанополостей, %
1
25
2
35
3
42
4
48
5
53
6-8
57-64
9-12
65-72
13-15
73-77
16-20
78-82
21-30
83-80
-3
Пространственное распределение электромагнитного излучения рентгеновского диапазона регистрировалось с использованием рентгеновских кассет РЕНЕКС ЭУ-И4 в комбинации с пленкой Kodak, предназначенной для рентгеновского излучения, получаемого с использованием рентгеновских трубок с напряжением на них в интервале от 40 до 100 и более кВ. Кассета с рентгеновской пленкой помещалась на расстоянии 50 мм от образца опаловой матрицы. При интенсивностях лазерного излучения, превышающих пороги возникновения акустических колебаний и сопровождающих их свечения образца, на кассете регистрировалось рентгеновское излучение в виде отдельной засветки. Сигнал представлял собой небольшую по диаметру область - темную точку с характерным пространственным распределением (рис.3). Генерация рентгеновского излучения при указанных экспериментальных условиях представляет собой эффект, порог которого совпадает с таковым для возникновения акустических колебаний и сопутствующим свечением (акустолюминисценцией). В результате проведенных опытов были установлены условия генерации импульсного рентгеновского излучения с угловой расходимостью, не превышающей 1·10 рад, с использованием контрастности диэлектрических характеристик микросфер кремнезема, образующих систему с запрещенными фотонными зонами и микрополостями, заполненными соответствующими веществами с заданным коэффициентом заполнения и значениями диэлектрической проницаемости.
-3
2
2
2
-3
Генерация рентгеновского излучения с малой угловой расходимостью (<1·10 рад) происходит при воздействии на образцы опаловых матриц, чьи межсферические нанополости заполнены веществами с величиной диэлектрической проницаемости (ε) не менее с коэффициентом заполнения в интервале 30-85%, импульсным лазерным излучением мощностью в пределах 0,25-10 ГВт/см. При воздействии на образцы опаловых матриц импульсным лазерным излучением мощностью меньше 0,25 ГВт/см, импульсное рентгеновское излучения не возникает; мощность импульсного лазерного излучения больше 10 ГВт/см приводит к механическому разрушению образцов опаловых матриц. Образцы опаловых матриц с коэффициентом заполнения межсферических нанополостей различными веществами, с указанными параметрами, менее 30% характеризуются угловым расхождениями для одиночных импульсов рентгеновского излучения >1,5·10. Заполнение межсферических нанополостей образцов опаловых матриц более 85% технически невозможно из-за перекрытия каналов.
Энергетические и геометрические условия возбуждения можно было менять, варьируя, в частности, мощностью лазерной накачки и (или) коэффициентом заполнения. Последнее позволяло проводить измерения при различных плотностях мощности возбуждающего излучения на входе в образец. В качестве образцов использовались опаловые матрицы, состоящие из микросфер кремнезема различного диаметра в диапазоне 0,2-0,4 мкм, которые охлаждались до температур 100-150 К. Рентгеновская пленка устанавливалась на фиксированном расстоянии от центра образца, в которых менялось как вещество заполнения, так и коэффициент заполнения его межсферических микрополостей (табл.2).
Таблица 2
Зависимость угловой расходимости одиночных импульсов рентгеновского излучения от параметров образца опаловой матрицы.
№
Т образца, К
Материал заполнения микрополостей
Коэффициент заполнения микрополостей, %
Подаваемая мощность лазерного излучения, ГВт/см<sup>2</sup>
Угловая расходимость одиночного импульса, рад
1 прототип
100
этанол
85
0,2
1,5·10<sup>3</sup>
2 прототип
300
глицерин
85
0,11
2,5·10<sup>-3</sup>
3
100
Нитрат кобальта, растворенный в воде в с концентрацией 18 грамм/100 мл
80
0,25
1,0·10<sup>-3</sup>
3
150
Нитрат кобальта, растворенный в воде в с концентрацией 18 грамм/100 мл
30
0,25
1,4·10<sup>-3</sup>
5
100
Нитрат кобальта, растворенный в воде в с концентрацией 11 грамм/100 мл
35
3,0
1,0·10<sup>-3</sup>
6
120
Нитрат никеля, растворенный в воде в с концентрацией 11 грамм/100 мл
80
1,2
<1,0·10<sup>-3</sup>
7
100
Никель металлический
30
9,9
1,0·10<sup>-3</sup>
8
300
Свинец металлический
25
3,0
<1,1·10<sup>-3</sup>
9
100
Свинец металлический
40
0,4
<1,0·10<sup>-3</sup>
10
100
Нитрат свинца, растворенный в воде с концентрацией 16 грамм/100 мл
80
3,0
<1,0·10<sup>-3</sup>
11
100
Иттрий хлористый, растворенный в воде в с концентрацией 10 грамм/100 мл
70
0,2
<1,0·10<sup>-3</sup>
12
300
Иттрий хлористый, растворенный в воде в с концентрацией 18 грамм/100 мл
30
8,5
1,2·10<sup>-3</sup>
13
100
Иттрий хлористый, растворенный в смеси воды и глицерина в соотношении 1:1 с концентрацией 2,8 грамм/100 мл
70
0.2
<1,0·10<sup>-3</sup>
14
100
Смесь глицерина и нитробензола в соотношении 1:1 с
85
0,6
1,0·10<sup>-3</sup>