RU209775U1 - Импульсный пьезоэлектрический источник рентгеновского излучения - Google Patents

Abstract

Полезная модель, импульсный пьезоэлектрический источник рентгеновского излучения, относится к области рентгеновской техники и может быть использована для генерации рентгеновского излучения и ускорения заряженных частиц до энергий порядка 100 кэВ миниатюрным источником, применяемого в рентгенографии и рентгеноскопии, рентгенотерапии, рентгеновской дефектоскопии, рентгеноструктурном и рентгенофлуоресцентном анализах. Устройство содержит установленные в вакуумной камере на подложке два пьезоэлемента, расположенный между ними высоковольтный электрод, актюатор, нить накала, генерирующую рентгеновское излучение, и полупроводниковый рентгеновский детектор. Кроме того, устройство дополнительно включает расположенный между нитью накала и высоковольтным электродом сеточный электрод, обеспечивающий управление величиной интенсивности генерируемого импульсного рентгеновского излучения и временем его генерации. Предлагаемое устройство может использоваться в рентгеновской спектроскопии, в частности в процессе выявления процентного содержания примесных элементов в химическом составе продукции нефтегазодобывающих компаний. Также устройство найдет применение в рентгенографии - для получения снимков костной ткани при локальном облучении поврежденного места, что увеличивает радиационную безопасность. Другой областью применения предлагаемого устройства является создание на его основе источника быстрых нейтронов с энергией 2,45 МэВ, который может использоваться для калибровки сверхчувствительных детекторов нейтрино и темной материи.

Description

Полезная модель относится к области рентгеновской техники и может быть использована для генерации рентгеновского излучения и ускорения заряженных частиц до энергий порядка 100 кэВ миниатюрным источником, применяемого в рентгенографии и рентгеноскопии, рентгенотерапии, рентгеновской дефектоскопии, рентгеноструктурном и рентгенофлуоресцентном анализах.

Наиболее распространенный и традиционный способ генерации рентгеновского излучения - это рентгеновские трубки, с применением внешнего источника 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» (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 (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 и степенью опасности при его эксплуатации.

Другой известный способ генерации рентгеновского излучения (Pyroelectric X-ray generator, James D. Brownridge, Nature, volume 358, pages 287-288, 1992), основан на применении пироэлектрического эффекта в пироэлектрических кристаллах. Этот эффект заключается в том, что при изменении температуры пироэлектрического кристалла, на поверхности кристалла генерируется высокий потенциал, знак которого зависит от направления изменения 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 работы основано известное устройство (US № 3840748 A, публ. 08.10.1974 г.).

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.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является «Импульсный пьезоэлектрический ускоритель» (RU № 199119, публ. 17.08.2020 г.), который содержит расположенные в вакуумной камере два пьезоэлемента, высоковольтный электрод, актюатор, нить накала, генерирующую рентгеновское излучение, и полупроводниковый детектор.

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности контролировать время генерации импульсного рентгеновского излучения и величину его интенсивности.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание устройства, позволяющего генерировать импульсное рентгеновское излучение при сжатии пьезоэлементов в вакууме и обладающего при этом возможностью управлять величиной интенсивности генерируемого импульсного рентгеновского излучения и временем его генерации.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства - импульсного пьезоэлектрического источника рентгеновского излучения, который содержит установленные в вакуумной камере на подложке два пьезоэлемента, расположенный между ними высоковольтный электрод, актюатор, нить накала, генерирующую рентгеновское излучение, и полупроводниковый рентгеновский детектор. Также устройство дополнительно содержит расположенный между нитью накала и высоковольтным электродом сеточный электрод, обеспечивающий управление величиной интенсивности генерируемого импульсного рентгеновского излучения и временем его генерации.

Технический результат заключается в возможности управления величиной интенсивности и временем генерации генерируемого импульсного рентгеновского излучения.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа (RU № 176453 U1, публ. 19.01.2018 г.) тем, что оно дополнительно содержит сеточный электрод, контролирующий величину потока электронов, ускоренных от нити накала к высоковольтному электроду, за счет изменения напряжения на нем, что позволяет контролировать время генерации импульсного рентгеновского излучения и его интенсивность.

Преимущество предлагаемой полезной модели заключается в возможности задавать промежуток времени, за который необходимо достичь максимального значения интенсивности генерируемого рентгеновского излучения, за счет внедрения в конструкцию разрабатываемого устройства дополнительного сеточного электрода, позволяющего контролировать величину потока электронов, эмитируемых нитью накала.

Полезная модель поясняется чертежом.

Фиг. 1 - функциональная схема устройства.

Устройство состоит из вакуумной камеры 1, подложки 2, двух пьезоэлементов 3, высоковольтного электрода 4, нити накала 5, актюатора 6, полупроводникового рентгеновского детектора 7, дополнительного сеточного электрода 8.

Вакуумная камера 1 с фланцами, корпус которой заземлен, представляет собой ограниченный объем, в котором создается давление не более 1 мТорр. Подложка 2 выполнена из нержавеющей стали в виде цилиндра. Пьезоэлементы 3, изготовленные из пьезоэлектрической керамики, выполнены в виде цилиндров и параллельно соединены между собой через высоковольтный электрод 4 произвольной формы, изготовленный из электропроводящего материала. На одном из фланцев вакуумной камеры 1, установлена нить накала 5, один вывод которой заземлен, а на второй подается постоянное напряжение. Нить накала 5 является источником электронов, которые эмитируют с ее поверхности под действием электрического поля, генерируемого пьезоэлементами 3 при воздействии на них актюатором 6. Актюатор 6 представляет собой металлический цилиндр и обеспечивает контролируемую механическую нагрузку на пьезоэлементы 3 внутри вакуумной камеры 1. Для регистрации рентгеновского излучения используется полупроводниковый рентгеновский детектор 7, установленный на одном из фланцев вакуумной камеры 1 так, чтобы угол регистрации излучения был максимальным. На другом фланце вакуумной камеры 1, между нитью накала 5 и высоковольтным электродом 4 установлен дополнительный сеточный электрод 8, закрепленный на металлической рамке. Причем площадь поверхности сеточного электрода 8 должна быть больше площади поверхности нити накала 5. На сеточный электрод 8 с помощью постоянного источника тока подается напряжение, величина которого позволяет контролировать величину потока электронов, эмитированных с нити накала 5, что обеспечивает управление процессом импульсной генерации рентгеновского излучения. Величина напряжения на сеточном электроде 8 определяет величину потока электронов, эмитированных с нити накала 5, чем выше напряжение, тем большее количество электронов достигнет поверхности высоковольтного электрода 4.

В вакуумную камеру 1 на подложку 2 устанавливаются пьезоэлементы 3 с расположенным между ними высоковольтным электродом 4. На фланцы вакуумной камеры 1 устанавливаются нить накала 5, актюатор 6, полупроводниковый рентгеновский детектор 7 и сеточный электрод 8, закрепленный на металлической рамке, имеющей провод для соединения с вакуумной камерой 1. При этом работает устройство при давлении остаточного газа в вакуумной камере 1 порядка 0,1 мТорр. Пьезоэлементы 3 подвергаются сжатию путем контролируемого механического воздействия на них актюатором 6, в результате чего на поверхности высоковольтного электрода 4 образуется положительный заряд. На незаземленный вывод нити накала 5, установленной на одном из фланцев вакуумной камеры 1, подается постоянное напряжение, что способствует генерации свободных электронов и их ускорению к сеточному электроду 8, на который подается постоянное напряжение. Величина напряжения на сеточном электроде 8 определяет количество прошедших через него электронов. Свободные электроны, прошедшие через сеточный электрод 8, попадают в область между сеточным электродом 8 и высоковольтным электродом 4, между которыми создается сильное электрическое поле. В результате взаимодействия электронов, ускоренных от нити накала 5 и прошедших через сеточный электрод 8, с поверхностью высоковольтного электрода 4, имеющего положительный заряд, генерируется рентгеновское излучение высокой интенсивности и импульсной мощности за короткий промежуток времени, которое регистрируется полупроводниковым рентгеновским детектором 7. Такой режим генерации рентгеновского излучения является импульсным: изменение величины напряжения на сеточном электроде 8 определяет количество эмитированных с нити накала 5 электронов, которые достигнут поверхности высоковольтного электрода 4, что позволяет управлять величиной интенсивности генерируемого импульсного рентгеновского излучения и временем его генерации.

Пример.

Для осуществления работы устройства в вакуумную камеру 1 на подложку 2, выполненную из нержавеющей стали в виде цилиндра диаметром 30 мм и высотой 50 мм, устанавливаются пьезоэлементы 3. Пьезоэлементы 3 цилиндрической формы выполнены из цирконата титаната бората свинца (ЦТБС-3М) с отношением величины пьезоэлектрического коэффициента к величине диэлектрической проницаемости, равным 0,27. Геометрические параметры: диаметр основания составляет 6,4 мм, высота керамики - 15 мм. Между пьезоэлементами 3 устанавливается высоковольтный медный электрод 4. На фланцы вакуумной камеры 1 устанавливаются вольфрамовая нить накала 5, актюатор 6, полупроводниковый рентгеновский детектор 7 и сеточный электрод 8. Производится откачка воздуха из вакуумной камеры 1. Пьезоэлементы 3 подвергаются сжатию путем контролируемого механического воздействия на них актюатором 6 с нагрузкой, равной 100 МПа, в течение 5 с, при этом на поверхности высоковольтного электрода 4 образуется высокий потенциал не менее 30 кВ. После того как на нить накала 5 было подано напряжение 2,2 В, а величина напряжения на сеточном электроде составляла 0 В, интенсивность рентгеновского излучения составила порядка 10⁸ событий, зарегистрированных полупроводниковым рентгеновским детектором 7 в течение 3 с с момента включения нити накала 5. Затем на сеточный электрод 8 было подано напряжение порядка 10 В и величина интенсивности рентгеновского излучения составила 10⁹ событий, причем была достигнута за 1 с. При этом энергия рентгеновского излучения, регистрируемого с помощью полупроводникового рентгеновского детектора 7 (Amptek - 100T CdTe), составляла 30 кэВ как при величине напряжения на сеточном электроде 8, равной 0 В, так и при величине напряжения, равной 10 В. Таким образом, в процессе работы устройства при сжатии пьезоэлементов 3 в вакууме за счет изменения величины напряжения на сеточном электроде 8 было осуществлено управление величиной интенсивности генерируемого импульсного рентгеновского излучения и временем его генерации.

Предлагаемое устройство может использоваться в рентгеновской спектроскопии, в частности в процессе выявления процентного содержания примесных элементов в химическом составе продукции нефтегазодобывающих компаний. Также устройство найдет применение в рентгенографии - для получения снимков костной ткани при локальном облучении поврежденного места, что увеличивает радиационную безопасность. Другой областью применения предлагаемого устройства является создание на его основе источника быстрых нейтронов с энергией 2,45 МэВ, который может использоваться для калибровки сверхчувствительных детекторов нейтрино и темной материи.

Claims (1)

1. Импульсный пьезоэлектрический источник рентгеновского излучения, содержащий установленные в вакуумной камере на подложке два пьезоэлемента, расположенный между ними высоковольтный электрод, актюатор, нить накала, отличающийся тем, что устройство дополнительно включает расположенный между нитью накала и высоковольтным электродом сеточный электрод, обеспечивающий управление величиной интенсивности генерируемого импульсного рентгеновского излучения и временем его генерации.

Images