RU184642U1 - Пироэлектрический источник рентгеновского излучения - Google Patents
Пироэлектрический источник рентгеновского излучения Download PDFInfo
- Publication number
- RU184642U1 RU184642U1 RU2018122447U RU2018122447U RU184642U1 RU 184642 U1 RU184642 U1 RU 184642U1 RU 2018122447 U RU2018122447 U RU 2018122447U RU 2018122447 U RU2018122447 U RU 2018122447U RU 184642 U1 RU184642 U1 RU 184642U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pyroelectric
- crystals
- target
- needle
- ray radiation
- Prior art date
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 51
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 22
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 5
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 4
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 4
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 5-methyl-pyrazole-3-carboxylic acid Chemical compound CC1=CC(C(O)=O)=NN1 WSMQKESQZFQMFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 238000004876 x-ray fluorescence Methods 0.000 description 2
- 230000005461 Bremsstrahlung Effects 0.000 description 1
- YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N Deuterium Chemical compound [2H] YZCKVEUIGOORGS-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 1
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 229910052805 deuterium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002594 fluoroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000003472 neutralizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002601 radiography Methods 0.000 description 1
- 238000001959 radiotherapy Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J35/00—X-ray tubes
- H01J35/02—Details
Landscapes
- X-Ray Techniques (AREA)
Abstract
Использование: для генерации рентгеновского излучения. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит два модуля, каждый из которых состоит из пироэлектрического кристалла и элемента Пельтье, а также включает мишень. Пироэлектрические кристаллы соединены между собой с помощью тонкой металлической фольги с припаянной к ней иглой, напротив которой отдельно установлена мишень. Технический результат: увеличение интенсивности рентгеновского излучения. 1 ил.
Description
Полезная модель относится к источникам ионизирующего излучения и может быть использована для генерации рентгеновского излучения и найдет применение в рентгенографии и рентгеноскопии, рентгенотерапии, рентгеновской дефектоскопии, рентгеноструктурном и рентгенофлуоресцентном анализах.
Наиболее распространённый и традиционный способ генерации рентгеновского излучения – это рентгеновские трубки, описанные в патентах «Рентгеновская трубка» (US № 4993055A, публ. 23.11.1988 г) и «Рентгеновская трубка с множеством мишеней» (US № 6973158B2, публ. 25.06.2003 г.). Принцип работы таких устройств основан на конструкции «катод – анод», в которой катод находится под действием высокого отрицательного напряжения или нагревается до температуры, при которой возможна термоэлектронная эмиссия, а анод либо заземлен, либо находится под положительным потенциалом. Электроны, эмитированные с поверхности катода, ускоряются на анод и при торможении в нем, генерируют рентгеновское излучение.
Также известны пироэлектрические источники рентгеновского излучения, принцип работы которых основан на применении пироэлектрического эффекта в кристаллах танталата (LiTaO3) или ниобата лития (LiNbO3). Средняя интенсивность рентгеновского излучения пироэлектрического источника составляет 106 (в отдельных случаях – 107) квантов в секунду. Одно из таких устройств описано в патенте под названием «Рентгеновская трубка» (US № 3840748 A, публ. 08.10.1974 г.). В описанном устройстве, генерация рентгеновского излучения осуществляется путем изменения температуры пироэлектрических кристаллов ниобата или танталата лития в вакууме. В результате изменения температуры на поверхности пироэлектрического кристалла индуцируется заряд, который является источником сильного электрического поля, способного вызвать эмиссию электронов с поверхности пироэлектрического кристалла и их ускорение в расположенный рядом заземленный проводник, что и приводит к генерации рентгеновского излучения, по тому же механизму, как и в рентгеновских трубках.
Недостатком рентгеновских трубок является необходимость внешнего источника высокого напряжения, который ограничивает возможность компактного исполнения устройства. Использование известных пироэлектрических источников позволяет устранить эти недостатки, однако интенсивность излучения и стабильность пироэлектрического источника уступают аналогичным характеристикам стандартных рентгеновских трубок.
Предлагаемое устройство наиболее близко к пироэлектрическому генератору нейтронов и рентгеновского излучения, который описан в работе D.J. Gillich and et.al. “ Enhanced pyroelectric crystal D—D nuclear fusion using tungsten nanorods”, Nano Today (2009) 4, 227—234. Данное устройство содержит два модуля, каждый из которых состоит из пироэлектрического кристалла и элемента Пельтье. Модули расположены друг от друга на расстоянии 20-30 мм, причем на поверхности одного из кристаллов нанесено множество вольфрамовых наноигл, а на поверхности другого - покрытие из дейтерия, выполняющее функцию мишени. С помощью элементов Пельтье изменяется температура каждого кристалла и в пространстве между ними возникает сильное электрическое поле, в котором происходит генерация ионов вблизи наноигл, их ускорение к поверхности другого кристалла, торможение в дейтерированном покрытии и генерация нейтронов и рентгеновского излучения.
Недостатком данного технического решения является необходимость в промежутке между двумя поверхностями пироэлектрических кристаллов для генерации и ускорения ионов или электронов. При такой конфигурации только часть заряда, генерируемого при пироэлектрическом эффекте, используется для генерации ускоренных заряженных частиц, которые при торможении в мишени приводят к генерации рентгеновского излучения. При этом, большая часть заряда остается распределенной на наноиглах и дейтерированном покрытии.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемого техническое решение, является создание устройства, позволяющего генерировать рентгеновское излучение повышенной интенсивности при помощи электрического поля, генерация которого осуществляется за счет пироэлектрического эффекта.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства –пироэлектрического источника рентгеновского излучения, который содержит два модуля, каждый из которых состоит из пироэлектрического кристалла и элемента Пельтье, причем пироэлектрические кристаллы соединены между собой с помощью тонкой металлической фольги с припаянной к ней иглой, напротив которой, отдельно установлена мишень. Кроме того, при одновременном нагреве или охлаждении пироэлектрических кристаллов на поверхностях, соприкасающихся с металлической фольгой с иглой, генерируется отрицательный заряд.
Предлагаемое техническое решение отличается от прототипа, описанного в работе D.J. Gillich and et.al. “ Enhanced pyroelectric crystal D—D nuclear fusion using tungsten nanorods”, Nano Today (2009) 4, 227—234 отсутствием свободного пространства между пироэлектрическими кристаллами. В предлагаемом устройстве пироэлектрические кристаллы соединены между собой с помощью тонкой металлической фольги с иглой, которая припаяна к ее торцу, обращенному к мишени. Это позволяет использовать весь генерируемый заряд с обеих поверхностей пироэлектрического кристалла для испускания и ускорения электронов, тем самым обеспечивая повышенную интенсивность генерации электронов, следовательно, и рентгеновского излучения. Кроме того, предлагаемое устройство отличается наличием отдельной мишени, расположенной напротив иглы.
Преимущество предлагаемого устройства заключается в повышенном токе заряженных частиц, и как следствие, в повышенном выходе рентгеновского излучения по сравнению с прототипом и другими подобными источниками при сопоставимом изменении температуры пироэлектрических кристаллов. Это достигается за счет эффективного использования обеих поверхностей кристалла на которых генерируется заряд.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в увеличении интенсивности рентгеновского излучения, генерируемого при изменении температуры пироэлектрических кристаллов, которые соединены между собой через металлическую фольгу с иглой, с которой происходит испускание электронов, их ускорение и торможение в мишени, приводящее к генерации рентгеновского излучения.
Предлагаемое устройство представлено чертежом.
Фиг. 1 – общий вид устройства.
Устройство (Фиг. 1) состоит из двух модулей, каждый из которых содержит пироэлектрический кристалл 1 и элемент Пельтье 2. Модули расположены друг напротив друга и соединены металлической фольгой 3 с припаянной к ней иглой 4, напротив которой установлена мишень 5.
Пироэлектрические кристаллы 1 представляют собой кристаллы изготовленные из пироэлектрического материала цилиндрической или кубической формы. Элемент Пельтье 2 – устройство, позволяющее изменять температуру пироэлектрических кристаллов 1. Площади поверхности используемых элементов Пельтье 2 должны быть не меньше площади поверхности пироэлектрических кристаллов 1. Металлическая фольга 3, расположенная между кристаллами должна полностью покрывать всю площадь поверхности пироэлектрических кристаллов 1. Соединение пироэлектрических кристаллов 1 с элементами Пельтье 2 и металлической фольгой 3 осуществляется с помощью тепло- и электропроводящего клея. Полярные поверхности пироэлектрических кристаллов 1, обращенные к элементу Пельтье 2 должны быть заземлены. Игла 4, припаивается к торцу металлической фольги 3, обращенному к мишени 5. Мишень 5, расположенная напротив иглы 4, представляет собой металлическую пластину или фольгу, которая должна быть обязательно заземлена.
Работает устройство в условиях вакуума при давлении остаточного газа от 10-2 Торр и ниже. Одной из характеристик пироэлектрического кристалла 1 является вектор спонтанной поляризации Ps, который указывает на поверхность кристалла, где индуцируется заряд. В зависимости от ориентации вектора спонтанной поляризации Ps возможны два варианта работы устройства.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Вариант 1- векторы спонтанной поляризации Ps пироэлектрических кристаллов 1 направлены навстречу друг другу (Фиг. 1). Пироэлектрические кристаллы 1 охлаждаются с помощью пары элементов Пельтье 2 в результате чего, на полярных поверхностях, обращенных к фольге 3, генерируется электрический заряд отрицательной полярности за счет пироэлектрического эффекта. Электрический заряд собирается с обеих поверхностей пироэлектрических кристаллов 1 на металлическую фольгу 3 и распространяется равномерно на иглу 4. Между заряженной иглой 4 и заземленной мишенью 5 возникает разность потенциалов в результате которой электроны (e-) испускаются иглой 4 и ускоряются в сторону мишени 5. При торможении ускоренных электронов в мишени 5 генерируется тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. После того как температура пироэлектрических кристаллов 1 достигнет минимально возможного значения, которое определяется параметрами элемента Пельтье 2, необходимо поддерживать значение температуры пироэлектрических кристаллов 1 до тех пор пока не прекратится генерация рентгеновского излучения. После пироэлектрические кристаллы 1 начинают нагреваться с помощью элементов Пельтье 2, при этом полярность заряда меняется на положительную и происходит компенсация остаточного отрицательного заряда, в результате чего металлическая фольга 3 и игла 4 заряжаются положительно. Между иглой 4 и заземленной мишенью 5 образуется разность потенциалов, под действием которой уже электроны с мишени 5 и свободные электроны из окружающего пространства летят на иглу 4, тем самым нейтрализуя положительный заряд и генерируя рентгеновское излучение при торможении в игле 4. Далее, после достижения первоначальной температуры пироэлектрический кристалл 1 начинает снова охлаждаться с помощью элементов Пельтье 2 и вышеописанные процессы повторяются.
Важно соблюдать следующее условие: скорость нагрева пироэлектрических кристаллов 1 должна быть выше скорости охлаждения пироэлектрических кристаллов 1. Это позволяет сократить время с пониженной интенсивностью генерации рентгеновского излучения.
Вариант 2 – векторы спонтанной поляризации Ps пироэлектрических кристаллов 1 направлены не навстречу друг другу, как показано на Фиг. 1, а в противоположные стороны. В данном случае, все процессы генерации отрицательного заряда и рентгеновского излучения в мишени 5 происходят при нагреве кристаллов, а процесс генерации положительного заряда при охлаждении. Также, при таком варианте работы устройства меняется и условие: скорость охлаждения пироэлектрических кристаллов 1 должна быть выше скорости нагрева пироэлектрических кристаллов 1.
Пример.
В качестве примера осуществления работы устройства использовались пироэлектрические кристаллы 1 танталата лития высотой 10 мм и площадью полярной поверхности 400 мм2, причем векторы поляризации Ps направлены в противоположные друг от друга стороны (Вариант 2), элементы Пельтье 2 размером 20×20 мм, металлическая фольга 3 выполнена из алюминия толщиной 100 мкм и площадью 400 мм2, игла 4 изготовлена из вольфрама длиной 7 мм и диаметром наконечника около 700 нм, а мишень 5 выполнена из медной фольги толщиной 500 мкм.
Для генерации тормозного и характеристического (Кα линия меди, Lα линия меди) рентгеновского излучения c энергией до 45 кэВ и общей интенсивностью 106 квантов в секунду соприкасающиеся с фольгой 3 поверхности пироэлектрических кристаллов 1 были нагреты на 20 °С с помощью элементов Пельтье 2. Это позволило генерировать с двух полярных поверхностей пироэлектрических кристаллов 1 около 3.5 мкКл заряда, стекающего на фольгу 3, что обеспечило испускание электронов с иглы 4 с током порядка 10 нА в течение 200-250 секунд и их ускорение в сторону мишени 5 (Фиг. 1). Когда процесс испускания электронов происходит при нагреве, согласно условию, охлаждение должно происходить быстрее, чем нагрев. Нагрев со скоростью 4 °С/мин обеспечивает генерацию заряда около 0.7 мкКл в минуту и испускание электронов в течении 200-220 секунд при общем времени нагрева 300 секунд. При этом происходит генерация рентгеновского излучения с интенсивностью порядка 108 квантов в секунду. Охлаждение со скоростью 8°С/мин позволило вернуться в исходное состояние за 150 секунд, при этом генерация рентгеновского излучения была продолжена с той же интенсивностью порядка 108 квантов в секунду за счет бомбардировки электронами иглы 4 и торца металлической фольги 3. Полученный результат на порядок превосходит результаты используемых аналогичных устройств.
Предлагаемое устройство может применяться как малогабаритный и мобильный источник рентгеновского излучения для рентгенофлуоресцентного анализа, получения рентгеновских снимков, способный заменить традиционные рентгеновские трубки в нестандартных и экстремальных условиях.
Claims (1)
- Пироэлектрический источник рентгеновского излучения, содержащий два модуля, каждый из которых состоит из пироэлектрического кристалла и элемента Пельтье, а также включает мишень, отличающийся тем, что пироэлектрические кристаллы соединены между собой с помощью тонкой металлической фольги с припаянной к ней иглой, напротив которой отдельно установлена мишень.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122447U RU184642U1 (ru) | 2018-06-20 | 2018-06-20 | Пироэлектрический источник рентгеновского излучения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122447U RU184642U1 (ru) | 2018-06-20 | 2018-06-20 | Пироэлектрический источник рентгеновского излучения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU184642U1 true RU184642U1 (ru) | 2018-11-01 |
Family
ID=64103722
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018122447U RU184642U1 (ru) | 2018-06-20 | 2018-06-20 | Пироэлектрический источник рентгеновского излучения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU184642U1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU219474U1 (ru) * | 2023-04-12 | 2023-07-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Пироэлектрический конвертер тепловой энергии в электрическую |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2136017C1 (ru) * | 1996-06-20 | 1999-08-27 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Пироэлектрический детектор импульсного ионизирующего излучения |
| CN1287378A (zh) * | 2000-09-07 | 2001-03-14 | 清华大学 | 热释电晶体x光源 |
| WO2014069530A1 (ja) * | 2012-10-30 | 2014-05-08 | 国立大学法人京都大学 | 元素分析装置 |
| RU169040U1 (ru) * | 2016-06-29 | 2017-03-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Пироэлектрический холодный катод с кольцевым поверхностным электродом |
| RU177198U1 (ru) * | 2017-08-02 | 2018-02-13 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Генератор рентгеновского излучения |
-
2018
- 2018-06-20 RU RU2018122447U patent/RU184642U1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2136017C1 (ru) * | 1996-06-20 | 1999-08-27 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Пироэлектрический детектор импульсного ионизирующего излучения |
| CN1287378A (zh) * | 2000-09-07 | 2001-03-14 | 清华大学 | 热释电晶体x光源 |
| WO2014069530A1 (ja) * | 2012-10-30 | 2014-05-08 | 国立大学法人京都大学 | 元素分析装置 |
| RU169040U1 (ru) * | 2016-06-29 | 2017-03-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Пироэлектрический холодный катод с кольцевым поверхностным электродом |
| RU177198U1 (ru) * | 2017-08-02 | 2018-02-13 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Генератор рентгеновского излучения |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| D.J. Gillich and et.al., Enhanced pyroelectric crystal D—D nuclear fusion using tungsten nanorods, Nano Today (2009) 4, 227—234;. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU219474U1 (ru) * | 2023-04-12 | 2023-07-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | Пироэлектрический конвертер тепловой энергии в электрическую |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3783288A (en) | Pulsed vacuum arc operation of field emission x-ray tube without anode melting | |
| CN103219211B (zh) | X射线源及x射线产生方法 | |
| CN104409303A (zh) | 基于碳纳米管/石墨烯复合阴极结构的x射线源 | |
| KR20140109809A (ko) | X선 발생관, 그 x선 발생관을 구비한 x선 발생장치, 및 x선 촬영 시스템 | |
| JP2016105399A (ja) | 冷陰極を有するｘ線発生装置の封入構造およびその排気方法 | |
| SU1022236A1 (ru) | Источник м гкого рентгеновского излучени | |
| JP4953382B2 (ja) | 異極像結晶を用いたｘ線発生装置 | |
| US2574655A (en) | Apparatus for focusing high-energy particles | |
| US10153059B2 (en) | Charged particle acceleration device | |
| RU184642U1 (ru) | Пироэлектрический источник рентгеновского излучения | |
| Slack et al. | Field Emission X‐Ray Tube | |
| RU156716U1 (ru) | Пироэлектрический дефлектор пучка заряженных частиц | |
| RU169040U1 (ru) | Пироэлектрический холодный катод с кольцевым поверхностным электродом | |
| RU183140U1 (ru) | Импульсный пироэлектрический ускоритель | |
| US2970219A (en) | Use of thin film field emitters in luminographs and image intensifiers | |
| US3344298A (en) | Flash x-ray tube with gas focusing of beam | |
| US1920601A (en) | Electron discharge device | |
| Andreev et al. | Spatial characteristics of radiation initiated by a discharge over the ferrite surface | |
| US2724771A (en) | Pulse generator utilizing bombardment induced conductivity | |
| US3482096A (en) | High energy field emission electron radiation pulse generator,x-ray apparatus and system employing same | |
| US2316276A (en) | Electron discharge apparatus | |
| US3337733A (en) | Image amplifying device having a pulse generator applied to parallel electrodes separated by an ionizable gas | |
| RU196850U1 (ru) | Миниатюрный источник рентгеновского излучения, использующий пироэлектрический кристалл и полупроводниковый диод | |
| RU2775274C1 (ru) | Генератор ионизирующего излучения на основе периодического варьирования температуры пироэлектрического кристалла (варианты) | |
| RU2459307C1 (ru) | Импульсная рентгеновская трубка |