CN103889136B - 一种机械式x射线源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械式X射线源，属于界面多物理场的基础研究技术领域。包括施力电机、移动平台、力传感器、上摩擦副、下摩擦副和旋转电机等。施力电机、移动平台、力传感器、上摩擦副、下摩擦副和旋转电机安装在密封罩内。施力电机通过丝杠使移动平台上、下移动。力传感器与移动平台相对固定，力传感器的探测端通过连接件与上摩擦副联动。旋转电机安装在密封罩的底部，其输出轴带动下摩擦副旋转。上摩擦副和下摩擦副紧密接触。本发明的X射线源，依靠摩擦过程中能量的释放来产生X射线的，不会对环境产生辐射污染，降低了X射线源的生产成本、操作成本和使用成本，具有有应用前景。

Description

一种机械式X射线源

技术领域

本发明涉及一种机械式X射线源，属于界面多物理场的基础研究技术领域。

背景技术

X射线通常是指波长在0.01-10nm范围内的电磁波，它的能量为100eV-100keV，在医学以及工业领域，也用到能量为6-20MeV的X射线。X射线通常是在高能量电子的作用下产生的，高能电子在撞击原子核时速度会降低，其损失的动能会以X射线的形式释放出来。另外，高能电子在撞击原子核时会轰击出原子核外的一部分电子并形成空穴，外层电子会填充空穴，在此过程中释放的能量以X射线的形式发射出来。由于X射线强大的穿透能力，因此在医学和工程领域得到了广泛的应用，比如医学影像、放射治疗、机械探伤等。但是X射线的产生条件是比较苛刻的，通常需要在真空管的两电极上加高电压，热阴极会释放出电子，在电场的加速下电子会获得高能量，高能电子撞击阳极靶材会产生X射线，产生X射线的能量与两电极之间的电压有关。但是，在此过程中X射线的产生效率不超过1%，大部分的电能以热的形式被浪费，而且在设计X射线管时还要考虑系统的散热。由于X射线具有强大的能量，在使用时对周围的环境会产生辐射污染，对人体有严重的危害。因此，有必要进行新的探索，开发出一种新型的X射线源，简化X射线的获取过程，同时降低对人体的危害。

有研究发现，在真空中剥离压敏胶带过程时也会产生X射线。CarlosG.Camara等人证明在真空中剥离普通的胶带也能产生X射线，且这种X射线的强度能够满足成像的要求，这一结果在文献“CorrelationbetweennanosecondX-rayflashesandstick–slipfrictioninpeelingtape”（Nature）中有介绍，这样的结果使得便携式X射线源的开发成为了可能。然而，为了能长时间有效地获得X射线需要不断地更换胶带，而且在多次重复使用后胶带的粘着力势必会降低，因此通过这种方式不容易难获得稳定的X射线源。通过实验发现，摩擦过程中损失的能量有一部分会以X射线的形式释放出来，释放出来的X射线的强度与实验条件、摩擦副的形式、摩擦副的材料等因素密切相关。

发明内容

本发明的目的是提出一种机械式X射线源，改变传统的产生X射线设备的机械结构，利用摩擦副形式，设计机械式的稳定、高效的X射线源。

本发明提出的机械式X射线源，包括密封罩、施力电机、移动平台、力传感器、上摩擦副、下摩擦副和旋转电机，所述的施力电机、移动平台、力传感器、上摩擦副、下摩擦副和旋转电机依次自上而下安装在密封罩内；所述的施力电机通过丝杠使移动平台上、下移动；所述的力传感器与移动平台相对固定，力传感器的探测端通过连接件与上摩擦副联动，所述的旋转电机安装在密封罩的底部，旋转电机的输出轴带动下摩擦副旋转，所述的上摩擦副和下摩擦副紧密接触；所述的密封罩上设有气体成分调节口、湿度调节口和排气口，与上摩擦副和下摩擦副的相互接触面相对应的密封罩壁上设有X射线探测窗口。

本发明提出的机械式X射线源，其优点是：

1、本发明的机械式X射线源，依靠摩擦过程中能量的释放来产生X射线的，因此本发明作为X射线源使用，不会对环境产生辐射污染，具有有应用前景。

2、本发明的机械式X射线源，采用的摩擦副结构形式简单、运动方式易控制，可降低X射线源的生产成本、操作成本和使用成本。

3、本发明的机械式X射线源，是一种产生X射线的新方法，可以减少机械加工过程中X射线辐射对操作工人的健康危害。

附图说明

图1是本发明提出的机械式X射线源的结构示意图。

图2、图3和图4分别是本发明机械式X射线源的不同实施例中，上、下摩擦副的结构示意图，其中图2是球盘式摩擦副，图3是四球式摩擦副，图4是环块式式摩擦副。

图5是球盘式摩擦副中X射线发射与外载荷之间的关系曲线图。

图6是球盘式摩擦副中X射线发射与下摩擦副的转速之间的关系曲线图。

图7是球盘式摩擦副中X射线发射与摩擦副材料之间的关系曲线图。

图1-图4中，1是施力电机（42BYG250B），2是气体成分调节口，3、11是导轨，4是丝杠，5是移动平台，6是力传感器，7是密封罩，8是下摩擦副，9是旋转电机，10是湿度调节口，12是连接件，13是X射线探测窗口，14是上摩擦副，15是排气口。

具体实施方式

本发明提出的机械式X射线源，其结构如图1所示，包括密封罩7、施力电机1、移动平台5、力传感器6、上摩擦副14、下摩擦副8和旋转电机9。施力电机1、移动平台5、力传感器6、上摩擦副14、下摩擦副8和旋转电机9依次自上而下安装在密封罩7内。施力电机1通过丝杠4使移动平台5上、下移动。力传感器6与移动平台5相对固定，力传感器6的探测端通过连接件12与上摩擦副14联动。旋转电机9安装在密封罩7的底部，旋转电机9的输出轴带动下摩擦副8旋转。上摩擦副14和下摩擦副8紧密接触。密封罩7上设有气体成分调节口2、湿度调节口10和排气口15，与上摩擦副14和下摩擦副8的相互接触面相对应的密封罩壁上设有X射线探测窗口13。

以下结合附图，介绍本发明新型机械式X射线源的工作原理和工作过程：

本发明提出的机械式X射线源，主要有上、下摩擦副、运动控制部分、载荷控制部分、实验环境控制部分组成。固定在连接件12上的上摩擦副14通过力传感器6与移动平台5联接，下摩擦副8与旋转电机9联接。施力电机1转动，通过导轨3、11以及丝杠4带动移动平台5向下运动，移动平台5带动力传感器6、连接件12、上摩擦副14向下移动，逐渐向下摩擦副8靠近、接触、压紧，通过力传感器6确定施加的载荷F，之后旋转电机9带动下摩擦副8转动，上、下摩擦副之间发生相对运动，产生摩擦作用，一部分摩擦耗散的能量会以X射线的形式释放出来，通过X射线探测窗口13可以探测产生X射线的强度和数目。固定在密封罩7上的气体成分调节口2和湿度调节口10可以调控摩擦环境的气体成分以及摩擦环境的湿度，从而调节产生X射线的强度和数目。通过力传感器6和旋转电机9可以分别控制施加载荷F的大小和上下摩擦副相对运动的速度V，从而调控产生X射线的强度和数目。另外也可以改变上、下摩擦副的材料来调控产生的X射线的强度和数目。

图2、图3和图4分别是本发明机械式X射线源的不同实施例中，上、下摩擦副的结构示意图，其中图2是球盘式摩擦副，球盘式摩擦副由上摩擦副14（球）和下摩擦副8（盘）组成，上摩擦副14在外载荷F的作用下与下摩擦副8发生点接触，下摩擦副8在旋转电机9的带动下与上摩擦副14以速度V发生相对运动。图3是四球式摩擦副，四球式摩擦副由上摩擦副（上球体）14和下摩擦副（下组合球体）8组成，下摩擦副8中的三个球体以相切的形式被固定在一起，上摩擦副14在外载荷F的作用下与下摩擦副发生点接触，下摩擦副8在旋转电机9的带动下与上摩擦副14以速度V发生相对运动。图4是环块式式摩擦副。环块式摩擦副由上摩擦副（上块）14和下摩擦副（下环）8组成，上摩擦副14在外载荷F作用下与下摩擦副8发生面接触，下摩擦副8在旋转电机9的带动下与上摩擦副14以速度V发生相对运动。

本发明提出的机械式X射线源，可以改变摩擦副的形式、摩擦副的材料以及实验条件（摩擦副的运动速度、湿度、载荷、环境气体成分）等因素，从而调控摩擦过程中所产生的X射线的强度。图5、图6和图7是当上、下摩擦副形式为如图2所示的球盘式时，在图1结构中所得到的产生的X射线的强度和数目与所加载荷F、上下摩擦副相对运动速度V、上下摩擦副材料之间的关系曲线图。

如图5所示，对于球盘式摩擦副，上摩擦副14的材料为轴承钢，下摩擦副8的材料为不锈钢，改变施加的载荷F，两摩擦副作用过程中产生的X射线的强度和数目都会发生变化，可以看到载荷F为5N时能获得少量的较高能量的X射线，载荷F为7N时可以产生大量的低能量的X射线。

如图6所示，对于球盘式摩擦副，上摩擦副14的材料为轴承钢，下摩擦副8的材料为不锈钢，改变下摩擦副8的转速V，两摩擦副作用过程中产生的X射线的强度和数目都会发生变化，可以看到转速V为200r/min时能获得少量较高能量的X射线，转速V为150r/min、250r/min和300r/min时能获得大量的低能量X射线，转速为100r/min时产生的X射线的强度降低、数目减少。

如图7所示，对于球盘式摩擦副，下摩擦副8的材料为导电陶瓷，改变上摩擦副14的材料会改变所产生X射线的数目和强度，上摩擦副14的材料为氧化锆时能产生能量较高的X射线和大量的低能量X射线。

Claims (1)

1.一种机械式X射线源，其特征在于该机械式X射源包括：密封罩、施力电机、移动平台、力传感器、上摩擦副、下摩擦副和旋转电机，所述的施力电机、移动平台、力传感器、上摩擦副、下摩擦副和旋转电机依次自上而下安装在密封罩内；所述的施力电机通过丝杆使移动平台上、下移动；所述的力传感器与移动平台相对固定，力传感器的探测端通过连接件与上摩擦副联动，所述的旋转电机安装在密封罩的底部，旋转电机的输出轴带动下摩擦副旋转，所述的上摩擦副和所述下摩擦副紧密接触；所述的密封罩上设有气体成分调节口、湿度调节口和排气口，与上摩擦副和下摩擦副的相互接触面相对应的密封罩上设有X射线探测窗口，其中，上摩擦副与下摩擦副为点接触。