RU2454840C2 - Method of generating x-ray radiation device for realising said method - Google Patents
Method of generating x-ray radiation device for realising said method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2454840C2 RU2454840C2 RU2010115391/07A RU2010115391A RU2454840C2 RU 2454840 C2 RU2454840 C2 RU 2454840C2 RU 2010115391/07 A RU2010115391/07 A RU 2010115391/07A RU 2010115391 A RU2010115391 A RU 2010115391A RU 2454840 C2 RU2454840 C2 RU 2454840C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- target
- ray radiation
- substance
- layer
- atoms
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- X-Ray Techniques (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам получения рентгеновского излучения для его использования в различных областях народного хозяйства, в частности в медицине, в химической, нефтехимической и других отраслях.The invention relates to methods for producing x-ray radiation for use in various fields of the national economy, in particular in medicine, in the chemical, petrochemical and other industries.
Рентгеновское излучение является важнейшим фактором ионизирующего воздействия на физические и биологические системы и широко используется в медицине, например при проведении рентгеновских исследований, и других прикладных технологиях, например в получении водорода, радиолизе воды. Создание оптимальных и безопасных источников рентгеновского излучения является актуальной задачей.X-ray radiation is the most important factor of the ionizing effect on physical and biological systems and is widely used in medicine, for example, when conducting x-ray studies, and other applied technologies, for example, in the production of hydrogen, radiolysis of water. Creating optimal and safe x-ray sources is an urgent task.
Известны изотопные источники ионизирующего излучения рентгеновского и гамма-диапазона, которые используются, например, в медицине для радиационной терапии - изотоп Со60, в дефектоскопии для объемного анализа структуры материалов - изотопы Со60 и Cs137, при проведении мессбауэровских исследований - например, изотопы Co57(Fe57) и Sn119m. Работа с этими изотопами требует особых мер радиационной защиты как во время практического использования, так и во время хранения.Known isotopic sources of ionizing radiation of the x-ray and gamma range, which are used, for example, in medicine for radiation therapy - the Co 60 isotope, in flaw detectors for volume analysis of the structure of materials - Co 60 and Cs 137 isotopes, while conducting Mössbauer studies - for example, Co isotopes 57 (Fe 57 ) and Sn 119m . Working with these isotopes requires special radiation protection measures both during practical use and during storage.
В настоящее время основной способ получения рентгеновского излучения связан с процессом взаимодействия быстрых электронов с различными мишенями в рентгеновских трубках (Хараджа Ф. Общий курс рентгенотехники, М.-Л., изд. Энергия, 1966). Для получения жесткого излучения используются пучки ускоренных электронов с большей энергией и мишени, изготовленные из тяжелых атомов (атомов с большим зарядом ядра). Например, для получения рентгеновского излучения с длиной волны около 0.7 А необходимо использовать электроны с энергией W>10-15 КэВ, которыми бомбардируют поверхность мишени, изготовленную из атомов середины таблицы Менделеева. Коэффициент η преобразования кинетической энергии таких электронов в характеристическое рентгеновское излучение очень мал: η≤10-10 ZW (где Z - заряд ядер атомов мишени, W - энергия ускоренных электронов в единицах эВ), и при такой энергии не превышает η≈10-2 %. Такие системы имеют большой вес и габариты, потребляют много электроэнергии, требуют специального водяного охлаждения рентгеновской трубки и особых мер как радиационной зашиты, так и защиты от действия высокого напряжения.Currently, the main way to obtain x-ray radiation is associated with the process of interaction of fast electrons with various targets in x-ray tubes (Haraja F. General course of X-ray engineering, M.-L., ed. Energia, 1966). To obtain hard radiation, beams of accelerated electrons with higher energy and targets made of heavy atoms (atoms with a large nuclear charge) are used. For example, to obtain x-ray radiation with a wavelength of about 0.7 A, it is necessary to use electrons with an energy of W> 10-15 KeV, which bombard the target surface made of atoms in the middle of the periodic table. The coefficient η of conversion of the kinetic energy of such electrons into characteristic x-ray radiation is very small: η≤10 -10 ZW (where Z is the charge of the nuclei of the target atoms, W is the energy of accelerated electrons in units of eV), and at this energy does not exceed η≈10 -2 % Such systems have a large weight and dimensions, consume a lot of electricity, require special water cooling of the x-ray tube and special measures as radiation protection, and protection against high voltage.
Целью создания настоящего изобретения являлась разработка высокоэкономичного безопасного способа получения источника рентгеновского излучения, приемлемого для широкого использования в различных отраслях, например в медицине, водородной энергетике, нефтехимии и других.The aim of the present invention was to develop a highly economical safe way to obtain a source of x-ray radiation, suitable for widespread use in various industries, for example, medicine, hydrogen energy, petrochemicals and others.
При разработке настоящего изобретения была поставлена задача создания способа генерации узкополосного рентгеновского излучения без применения источников радиоактивности и без использования ускоренного до высокой энергии пучка электронов, обеспечивающего возможность создания источников рентгеновского излучения заданного диапазона частот и мощности с возможностью изменения его мощности и частоты.When developing the present invention, the task was to create a method for generating narrow-band X-ray radiation without the use of radioactivity sources and without using an electron beam accelerated to high energy, which makes it possible to create X-ray sources of a given frequency range and power with the possibility of changing its power and frequency.
Известен способ генерации интенсивного излучения видимого диапазона при быстром движении струи жидкости сквозь узкие диэлектрические каналы, основанный на использовании радиационных процессов и сопутствующей сонолюминесценции при формировании и коллапсе кавитационных пузырьков в струе жидкости, протекающей под давлением через тонкий канал в кавитационную камеру, сквозь которую она проходит не касаясь стенок (А.А.Корнилова, В.И.Высоцкий, А.И.Колдамасов, Hyun Ik Yang, Denis B.McConnell, А.В.Десятов. Генерация интенсивного направленного излучения при быстром движении струи жидкости сквозь узкие диэлектрические каналы. Поверхность, №3, 2007, с.55-60). В этом способе процесс генерации излучения не требует использования ускорительных систем или радиоактивных изотопов. Генерация видимого излучения происходит внутри камеры в объеме струи жидкости.A known method of generating intense visible-range radiation with a fast movement of a liquid stream through narrow dielectric channels is based on the use of radiation processes and concomitant sonoluminescence during the formation and collapse of cavitation bubbles in a liquid stream flowing under pressure through a thin channel into a cavitation chamber through which it does not pass touching the walls (A. A. Kornilova, V. I. Vysotsky, A. I. Koldamasov, Hyun Ik Yang, Denis B. McConnell, A. V. Desyatov. Generation of intense directional radiation at the rapid movement of a liquid stream through narrow dielectric channels. Surface, No. 3, 2007, p. 55-60). In this method, the radiation generation process does not require the use of accelerator systems or radioactive isotopes. The generation of visible radiation occurs inside the chamber in the volume of a jet of liquid.
Однако с помощью описанного способа генерируют излучение относительно низкой частоты в видимом диапазоне, которое может проходить сквозь прозрачные стенки кавитационной камеры. Способ не предоставляет возможности перестройки частот излучения, а также получения более жесткого излучения, в частности рентгеновского излучения, за пределами кавитационной камеры.However, using the described method, relatively low frequency radiation is generated in the visible range, which can pass through the transparent walls of the cavitation chamber. The method does not provide the possibility of tuning the frequency of the radiation, as well as obtaining more stringent radiation, in particular x-ray radiation, outside the cavitation chamber.
Поставленная задача была решена разработкой способа генерации рентгеновского излучения, включающего возбуждение атомов наружной поверхности мишени, отличающегося тем, что формируют при пониженном давлении поток жидкой среды, имеющий, по меньшей мере, в периферийной части потока области кавитации с зонами коллапса кавитационных пузырьков, обеспечивают контактирование зон коллапса указанного потока с внутренней поверхностью мишени и получают рентгеновское излучение на наружной поверхности мишени, при этом используют мишень, выполненную из материала, имеющего низкий коэффициент объемного затухания упругой ультразвуковой волны, толщиной, равной или превышающей длину преобразования упругой ультразвуковой волны, возбуждаемой ударной волной зоны коллапса в материале мишени, в ударную волну с малым фронтом на наружной поверхности мишени.The problem was solved by the development of a method for generating x-ray radiation, including the excitation of atoms of the outer surface of the target, characterized in that they form a stream of liquid medium under reduced pressure, having at least in the peripheral part of the flow of the cavitation region with zones of collapse of cavitation bubbles, provide contacting zones the collapse of the specified stream with the inner surface of the target and receive x-ray radiation on the outer surface of the target, while using the target, performing hydrochloric from a material having a low coefficient of volumetric elastic damping of the ultrasonic wave thickness equal to or greater than the length of the elastic transform ultrasonic wave excited by a shock wave in the target material collapsing zone, in a shock wave with a small outer edge at the target surface.
При этом, согласно изобретению, целесообразно указанный поток жидкой среды формировать в импульсном режиме и получать импульсное рентгеновское излучение.Moreover, according to the invention, it is advisable to form the specified flow of a liquid medium in a pulsed mode and receive pulsed x-ray radiation.
При этом, согласно изобретению, целесообразно формирование областей кавитации в потоке жидкой среды осуществлять путем предварительного продавливания жидкой среды, по меньшей мере, через один узкий канал и последующего ее быстрого расширения.Moreover, according to the invention, it is advisable to form cavitation areas in the flow of a liquid medium by preliminary forcing the liquid medium through at least one narrow channel and its subsequent rapid expansion.
При этом, согласно изобретению, целесообразно использовать мишень, выполненную из материала с легкими атомами или содержащего такие атомы.Moreover, according to the invention, it is advisable to use a target made of a material with light atoms or containing such atoms.
При этом, согласно изобретению, целесообразно обеспечивать регулирование частоты и мощности получаемого рентгеновского излучения путем изменения давления в потоке жидкости перед областью его последующего быстрого расширения.Moreover, according to the invention, it is advisable to control the frequency and power of the resulting x-ray radiation by changing the pressure in the liquid stream in front of the area of its subsequent rapid expansion.
Кроме того, согласно изобретению, целесообразно обеспечивать регулирование частоты и мощности получаемого рентгеновского излучения путем формирования многоструйного потока жидкой среды в области его последующего быстрого расширения.In addition, according to the invention, it is advisable to provide control of the frequency and power of the obtained x-ray radiation by forming a multi-jet stream of liquid medium in the area of its subsequent rapid expansion.
При этом, согласно изобретению, целесообразно на наружной поверхности мишени создавать, по меньшей мере, один малоразмерный участок, проницаемый для генерируемого рентгеновского излучения.Moreover, according to the invention, it is advisable to create at least one small section permeable to the generated x-ray radiation on the outer surface of the target.
При этом, согласно изобретению, целесообразно обеспечивать стимуляцию образования областей кавитации в потоке жидкости.Moreover, according to the invention, it is advisable to provide stimulation of the formation of cavitation areas in the fluid flow.
При этом, согласно изобретению, целесообразно обеспечивать стимуляцию образования областей кавитации в потоке жидкости путем предварительного введения в жидкость стимулятора, содержащего примеси, обеспечивающие формирование центров зарождения кавитационных пузырьков.Moreover, according to the invention, it is advisable to provide stimulation of the formation of cavitation areas in the fluid flow by first introducing into the fluid a stimulator containing impurities, providing the formation of centers of origin of cavitation bubbles.
При этом, согласно изобретению, целесообразно в качестве примесей использовать молекулы или частицы жироподобных веществ.Moreover, according to the invention, it is advisable to use molecules or particles of fat-like substances as impurities.
При этом, согласно изобретению, целесообразно обеспечивать стимуляцию образования областей кавитации в потоке жидкости путем облучения жидкости в области ее быстрого расширения потоком заряженных частиц, имеющих в жидкости длину пробега, соответствующую размерам области кавитации.Moreover, according to the invention, it is advisable to stimulate the formation of cavitation areas in the fluid flow by irradiating the fluid in the area of its rapid expansion by the flow of charged particles having a mean free path in the fluid corresponding to the size of the cavitation area.
При этом, согласно изобретению, целесообразно в качестве источника заряженных частиц использовать долгоживущий радиоактивный изотоп.Moreover, according to the invention, it is advisable to use a long-lived radioactive isotope as a source of charged particles.
При этом, согласно изобретению, целесообразно в качестве источника заряженных частиц использовать радиоактивный изотоп Pu239 или Am241, испускающий альфа-частицы.Moreover, according to the invention, it is advisable to use the Pu 239 or Am 241 radioactive isotope emitting alpha particles as a source of charged particles.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы для получения смешанного характеристического рентгеновского излучения вещества материала мишени и другого вещества, содержащих атомы, электронные переходы в которых соответствуют смешанному характеристическому рентгеновскому излучению, которое предполагают получить, на наружную поверхность мишени было нанесено дополнительно указанное другое вещество акустически связанным с материалом мишени слоем толщиной не более длины поглощения генерируемого рентгеновского излучения.Moreover, according to the invention, it is advisable that, in order to obtain a mixed characteristic X-ray radiation of a target material substance and another substance containing atoms, the electronic transitions in which correspond to a mixed characteristic X-ray radiation that is supposed to be obtained, an additionally indicated other substance is applied to the outer surface of the target acoustically a layer bound to the target material with a thickness not exceeding the absorption length of the generated x-ray radiation.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени обеспечивать путем механического крепления слоя вещества к мишени.Moreover, according to the invention, it is advisable that the acoustic connection of the specified layer of the substance with the target material is ensured by mechanical fastening of the layer of substance to the target.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени обеспечивать путем диффузионного внедрения атомов вещества слоя в приповерхностный слой мишени.Moreover, according to the invention, it is advisable to provide acoustic coupling of the specified layer of the substance with the target material by means of diffusion incorporation of atoms of the substance of the layer into the surface layer of the target.
При этом, согласно изобретению, акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени возможно обеспечивать путем трансплантационного внедрения атомов слоя в приповерхностный слой мишени.Moreover, according to the invention, the acoustic connection of the specified layer of the substance with the target material can be achieved by transplantation of the introduction of layer atoms into the surface layer of the target.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени возможно обеспечивать адгезией с помощью акустического геля.Moreover, according to the invention, it is advisable acoustic connection of the specified layer of the substance with the target material, it is possible to provide adhesion using an acoustic gel.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы указанный слой был образован мелкодисперсными частицами вещества.Moreover, according to the invention, it is advisable that the specified layer was formed by fine particles of the substance.
При этом, согласно изобретению, возможно, чтобы указанный слой вещества на наружной поверхности мишени был распределен фрагментарно.Moreover, according to the invention, it is possible that said layer of substance on the outer surface of the target is fragmented.
Кроме того, согласно изобретению, целесообразно, чтобы для получения характеристического рентгеновского излучения вещества, отличного от вещества материала мишени и содержащего атомы, электронные переходы в которых соответствуют желаемому характеристическому рентгеновскому излучению, на наружную поверхность мишени было нанесено указанное вещество сплошным, акустически связанным с материалом мишени слоем толщиной не более длины поглощения генерируемого рентгеновского излучения, полностью покрывающим наружную поверхность мишени.In addition, according to the invention, it is advisable that in order to obtain characteristic X-ray radiation of a substance other than the material of the target material and containing atoms, the electronic transitions in which correspond to the desired characteristic X-ray radiation, the specified substance is deposited on the outer surface of the target solid, acoustically connected with the target material a layer no more than the absorption length of the generated x-ray radiation, completely covering the outer surface of the target.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы для получения смешанного характеристического рентгеновского излучения, материал мишени содержал атомы, электронные переходы в которых соответствуют смешанному характеристическому рентгеновскому излучению, которое предполагают получить с наружной поверхности мишени.Moreover, according to the invention, it is advisable that to obtain a mixed characteristic x-ray radiation, the target material contains atoms, the electronic transitions in which correspond to a mixed characteristic x-ray radiation, which is supposed to receive from the outer surface of the target.
Поставленная задача была также решена созданием устройства для осуществления способа генерации рентгеновского излучения согласно изобретению, содержащего сообщенные между собой последовательно:The problem was also solved by creating a device for implementing the method of generating x-ray radiation according to the invention, containing interconnected in series:
- устройство подачи исходного потока жидкой среды, обеспечивающее заданное давление и скорость в потоке;- a feed device for the initial flow of a liquid medium, providing a given pressure and speed in the stream;
- устройство сжатия жидкой среды, обеспечивающее образование на выходе из устройства высоконапорной струи жидкой среды с заданным давлением и температурой;- a device for compressing a liquid medium, which ensures the formation at the outlet of the device of a high-pressure jet of a liquid medium with a given pressure and temperature;
- устройство расширения жидкой среды, обеспечивающее образование областей кавитации, по меньшей мере, в периферийных областях потока жидкой среды;- a device for expanding a liquid medium, providing the formation of areas of cavitation, at least in the peripheral regions of the flow of a liquid medium;
- устройство вывода отработавшей жидкой среды;- a device for outputting spent liquid medium;
- а также сообщенное с внутренней полостью устройства расширения жидкой среды, по меньшей мере, в области зон коллапса устройство генерации внешнего рентгеновского излучения, содержащее мишень, приспособленную для получения на ее наружной поверхности желаемого рентгеновского излучения.- as well as a device for generating external x-ray radiation communicated with the internal cavity of the device for expanding the liquid medium, at least in the region of the collapse zones, containing a target adapted to receive the desired x-ray radiation on its outer surface.
При этом целесообразно, чтобы устройство согласно изобретению для получения импульсного рентгеновского излучения содержало устройство подачи исходного потока, обеспечивающее формирование потока жидкой среды в импульсном режиме.In this case, it is advisable that the device according to the invention for producing pulsed x-ray radiation contains a source flow supply device providing for the formation of a fluid flow in a pulsed mode.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы устройство сжатия жидкой среды было приспособлено для формирования областей кавитации в потоке жидкой среды продавливанием жидкой среды, по меньшей мере, через один узкий канал и последующего ее быстрого расширения.Moreover, according to the invention, it is advisable that the device for compressing the liquid medium was adapted to form cavitation areas in the liquid stream by forcing the liquid medium through at least one narrow channel and its subsequent rapid expansion.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы устройство генерации внешнего рентгеновского излучения содержало мишень, выполненную из материала с легкими атомами или содержащего такие атомы.Moreover, according to the invention, it is advisable that the device for generating external x-ray radiation contains a target made of a material with light atoms or containing such atoms.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы на наружной поверхности мишень имела, по меньшей мере, один малоразмерный участок, проницаемый для генерируемого рентгеновского излучения.Moreover, according to the invention, it is advisable that on the outer surface of the target had at least one small section, permeable to the generated x-ray radiation.
При этом целесообразно, чтобы устройство согласно изобретению было приспособлено для облучения жидкости в области ее быстрого расширения потоком заряженных частиц, имеющих в жидкости длину пробега, соответствующую размерам области кавитации.In this case, it is advisable that the device according to the invention be adapted for irradiating a liquid in the region of its rapid expansion by a stream of charged particles having a mean free path in the liquid corresponding to the size of the cavitation region.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в качестве источника заряженных частиц устройство содержало долгоживущий радиоактивный изотоп.Moreover, according to the invention, it is advisable that the device contains a long-lived radioactive isotope as a source of charged particles.
При этом, согласно изобретению, целесообразно в качестве источника заряженных частиц использовать радиоактивный изотоп Pu239 или Am241, испускающий альфа-частицы.Moreover, according to the invention, it is advisable to use the Pu 239 or Am 241 radioactive isotope emitting alpha particles as a source of charged particles.
При этом, согласно изобретению, целесообразно для получения смешанного характеристического рентгеновского излучения вещества материала мишени и другого вещества, содержащих атомы, электронные переходы в которых соответствуют смешанному характеристическому рентгеновскому излучению, которое предполагают получить, мишень на наружной поверхности содержала дополнительно указанное другое вещество акустически связанным с материалом мишени слоем толщиной не более длины поглощения генерируемого рентгеновского излучения.Moreover, according to the invention, it is advisable to obtain a mixed characteristic x-ray radiation of a target material substance and another substance containing atoms, in which electronic transitions correspond to a mixed characteristic x-ray radiation that is supposed to be obtained, the target on the outer surface additionally contained another specified substance acoustically associated with the material target layer with a thickness of not more than the absorption length of the generated x-ray radiation.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени обеспечивать путем механического крепления слоя вещества к наружной поверхности мишени.Moreover, according to the invention, it is advisable to provide acoustic coupling of the specified layer of the substance with the target material by mechanically securing the layer of the substance to the outer surface of the target.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени обеспечивать путем диффузионного внедрения атомов вещества слоя в приповерхностный слой наружной поверхности мишени.Moreover, according to the invention, it is advisable to provide acoustic coupling of the specified layer of the substance with the target material by means of diffusion incorporation of atoms of the substance of the layer into the surface layer of the outer surface of the target.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени обеспечивать путем трансплантационного внедрения атомов слоя в приповерхностный слой мишени.Moreover, according to the invention, it is advisable to provide acoustic coupling of the specified layer of the substance with the target material by transplantation of the introduction of layer atoms into the surface layer of the target.
При этом, согласно изобретению, целесообразно акустическую связь указанного слоя вещества с материалом мишени (6) обеспечивают адгезией с помощью акустического геля.Moreover, according to the invention, it is advisable that the specified layer of the substance is acoustically bonded to the target material (6) by adhesion using an acoustic gel.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы указанный слой вещества на наружной поверхности мишени был образован мелкодисперсными частицами вещества.Moreover, according to the invention, it is advisable that the specified layer of the substance on the outer surface of the target was formed by fine particles of the substance.
При этом, согласно изобретению, целесообразно указанный слой вещества на наружной поверхности мишени распределять фрагментарно.Moreover, according to the invention, it is advisable to distribute the specified layer of substance on the outer surface of the target fragmentarily.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы для получения характеристического рентгеновского излучения вещества, отличного от вещества материала мишени и содержащего атомы, электронные переходы в которых соответствуют желаемому характеристическому рентгеновскому излучению, на наружной поверхности мишень содержала указанное вещество сплошным, акустически связанным с материалом мишени слоем толщиной не более длины поглощения генерируемого рентгеновского излучения, полностью покрывающим наружную поверхность мишени.Moreover, according to the invention, it is advisable that to obtain the characteristic x-ray radiation of a substance other than the material of the target material and containing atoms, electronic transitions in which correspond to the desired characteristic x-ray radiation, on the outer surface of the target the specified substance contains a continuous layer, acoustically connected to the target material layer thickness not exceeding the absorption length of the generated x-ray radiation, completely covering the outer surface of the target.
При этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы для получения смешанного характеристического рентгеновского излучения, и при этом материал мишени содержит атомы, электронные переходы в которых соответствуют смешанному характеристическому рентгеновскому излучению, которое предполагают получить с наружной поверхности мишени.Moreover, according to the invention, it is advisable to obtain mixed characteristic x-ray radiation, and the target material contains atoms, electronic transitions in which correspond to mixed characteristic x-ray radiation, which is supposed to be obtained from the outer surface of the target.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров осуществления способа генерации рентгеновского излучения согласно изобретению с помощью устройства для генерации рентгеновского излучения согласно изобретению, и прилагаемыми чертежами, на которых:The invention is further illustrated by the description of examples of the method for generating x-ray radiation according to the invention using the device for generating x-ray radiation according to the invention, and the accompanying drawings, in which:
Фиг.1 - схема получения рентгеновского излучения согласно изобретению;Figure 1 - scheme for producing x-ray radiation according to the invention;
Фиг.2 - схема устройства для осуществления способа получения рентгеновского излучения согласно изобретению, вариант выполнения.Figure 2 - diagram of a device for implementing the method of producing x-ray radiation according to the invention, an embodiment.
При этом приведенные примеры осуществления не выходят за рамки патентных притязаний и не ограничивают возможности осуществления настоящего изобретения.Moreover, the examples of implementation do not go beyond the scope of patent claims and do not limit the possibility of implementing the present invention.
При создании настоящего изобретения авторами была проанализирована известная информация о радиационных процессах, проходящих в зонах кавитации жидкости, а также полученные авторами результаты исследований.When creating the present invention, the authors analyzed the known information about the radiation processes taking place in the cavitation zones of the liquid, as well as the research results obtained by the authors.
При детальном исследовании характеристик и условий процесса формирования и последующего коллапса кавитационных пузырьков было установлено, что этот процесс характеризуется несколькими последовательными этапами эволюции кавитационных пузырьков.In a detailed study of the characteristics and conditions of the formation and subsequent collapse of cavitation bubbles, it was found that this process is characterized by several successive stages in the evolution of cavitation bubbles.
Схема эволюции кавитирующего пузырька и получения рентгеновского излучения показана на Фиг.1.A diagram of the evolution of a cavitating bubble and X-ray generation is shown in FIG.
Зарождение кавитационных пузырьков 1 связано с процессами разрушения сплошности жидкой среды при уменьшении внешнего давления, приводящими к появлению внутренних разрывов и росту количества и величины флуктуационно появляющихся в разрывах микрозародышей - микропузырьков с формированием области 2 кавитации.The nucleation of cavitation bubbles 1 is associated with the processes of destruction of the continuity of a liquid medium with a decrease in external pressure, leading to the appearance of internal discontinuities and an increase in the number and magnitude of microarrays that fluctuate in the discontinuities — microbubbles with the formation of
Начальная стадия роста кавитационных пузырьков 1 в области 2 кавитации наблюдается при давлении, меньшем, чем давление насыщающего пара жидкости при заданной температуре жидкой среды. Это обстоятельство способствует испарению жидкости в объем расширяющегося пузырька и повышает внутреннее давление, что, в свою очередь, способствует росту пузырька 1. Исследования на основе уравнений Навье-Стокса (Barber B.P. et al., Phys. Reports, v.281, 1997, р.65) показали, что скорость возрастания радиуса пузырьков намного меньше, чем скорость звука в окружающей жидкости.The initial stage of the growth of cavitation bubbles 1 in
Рост кавитационных пузырьков 1 прекращается при прекращении снижения внешнего давления, действующего на жидкость. Это состояние является неустойчивым, и сразу после него наступает фаза коллапса (самосхлопывания) этих пузырьков.The growth of cavitation bubbles 1 stops when the decrease in external pressure acting on the liquid ceases. This state is unstable, and immediately after it begins the phase of collapse (self-collapse) of these bubbles.
Причиной коллапса являются силы поверхностного натяжения стенки кавитационного пузырька 1, резко возрастающие при уменьшении его радиуса. Под действием этих сил происходит очень быстрое сжатие пузырька, чему способствуют процессы конденсации на его стенках паров, находящихся в объеме пузырька. Скорость завершающей стадии самосхлопывания кавитационного пузырька может превышать скорость звука в жидкости (Barber B.P. et al., Phys. Reports, v.281, 1997, р.65).The cause of the collapse is the surface tension forces of the wall of the cavitation bubble 1, which sharply increase with a decrease in its radius. Under the action of these forces, a very rapid compression of the bubble occurs, which is facilitated by the condensation processes on its walls of the vapors located in the volume of the bubble. The speed of the final stage of self-collapse of a cavitation bubble can exceed the speed of sound in a liquid (Barber B.P. et al., Phys. Reports, v. 281, 1997, p. 65).
В процессе коллапса происходит резкое повышение температуры и давления в центре сжимаемого пузырька 1. Процесс коллапса прекращается, когда резко возросшее внутреннее давление остатков газа и пара в зоне 3 коллапса уравновешивается давлением стенок пузырька 1 и давлением жидкости, окружающей пузырек 1 по наружной поверхности и стремящейся к его центру.During the collapse, a sharp increase in temperature and pressure occurs in the center of the compressible bubble 1. The collapse process stops when the sharply increased internal pressure of the gas and vapor residues in zone 3 of the collapse is balanced by the pressure of the walls of the bubble 1 and the pressure of the liquid surrounding the bubble 1 on the outer surface and tends to to its center.
Эти стадии эволюции пузырька 1 сопровождаются изменением состояния жидкости, окружающей сжимаемый пузырек 1 (Маргулис М.А. Успехи физических наук, т.170, 2000, №3, с.279). В начальной фазе роста пузырька 1 жидкость сравнительно медленно раздвигается, слабо увеличивая свою плотность в области, примыкающей к растущему пузырьку. В фазе коллапса происходит ускоренное движение большой массы жидкости, примыкающей к стенке пузырька, в направлении к центру коллапса. После завершения коллапса инерционное движение жидкости к центру приводит к импульсному сжатию ("пережатию") жидкости и кратковременному очень резкому возрастанию давления в зоне 3 коллапса в фазе максимального сжатия. Это состояние аналогично состоянию очень сильно сжатой пружины.These stages of evolution of bubble 1 are accompanied by a change in the state of the fluid surrounding the compressible bubble 1 (Margulis MA Uspekhi Fizicheskikh Nauk, vol. 170, 2000, No. 3, p. 279). In the initial phase of the growth of the bubble 1, the liquid moves relatively slowly, slightly increasing its density in the region adjacent to the growing bubble. In the collapse phase, an accelerated movement of a large mass of liquid adjacent to the wall of the bubble occurs in the direction toward the center of the collapse. After the collapse is completed, the inertial movement of the liquid toward the center leads to pulsed compression (“squeezing”) of the liquid and a short-term very sharp increase in pressure in zone 3 of the collapse in the phase of maximum compression. This condition is similar to the state of a very strongly compressed spring.
Как показано на Фиг.1, после этого начинается интенсивное обратное движение жидкости и формирование мощного акустического импульса 4, который затем превращается в ударную волну 5, распространяющуюся от зоны 3 коллапса в объем жидкости в области 2 кавитации. При удалении от зоны 3 коллапса амплитуда ударной волны 5 быстро падает как из-за сильного поглощения высокочастотного ультразвука в жидкости, так и из-за пространственной расходимости волны (Селиванов В.В., Соловьев B.C., Сысоев Н.Н. Ударные и детонационные волны (методы исследований), М., изд. МГУ, 1990). Такие акустические импульсы 4 в форме ударной волны 5 являются основной причиной кавитационного разрушения материалов и детально исследованы в экспериментах.As shown in figure 1, after this begins the intense reverse movement of the fluid and the formation of a powerful acoustic pulse 4, which then turns into a shock wave 5, propagating from the collapse zone 3 into the volume of fluid in the
В результате ранее известных детальных измерений было обнаружено, что скорость ударной волны 5 на расстоянии 50 мкм от зоны 3 коллапса "схлопнувшегося" пузырька 1 составляет vsw=4000 м/с, что намного превышает скорость звука v=1430 м/с в воде при нормальных условиях. Амплитуда этой ударной волны соответствовала величинам 40-60 Кбар (Pecha, R., Gompf B. "Microimplosions: Cavitation collapse and shock wave emission on a nanosecond time scale". Phys. Rev. Lett. v.84, 2000, p.1328-1330).As a result of previously known detailed measurements, it was found that the speed of shock wave 5 at a distance of 50 μm from zone 3 of the collapse of the “collapsed” bubble 1 is v sw = 4000 m / s, which is much higher than the speed of sound v = 1430 m / s in water at normal conditions. The amplitude of this shock wave corresponded to 40-60 Kbar (Pecha, R., Gompf B. "Microimplosions: Cavitation collapse and shock wave emission on a nanosecond time scale". Phys. Rev. Lett. V. 84, 2000, p.1328 -1330).
С помощью пьезоэлектрического гидрофона были измерены параметры импульсов акустического давления в жидкости за пределами зоны 3 коллапса (Matula, Т.J., I.М.Hallaj, R.О.Cleveland, L.A.Cram, W.С.Moss, and R.A.Roy, 1998, "The acoustic emissions from single-bubble sonoluminescence". J. Acoust. Soc. Am. v.3, 1998, p.1377-1382). На расстоянии 1 мм от зоны 3 коллапса в области 2 кавитации импульс давления имел длительность фронта 5,2 нс и амплитуду давления 1,7 бар.Using the piezoelectric hydrophone, the parameters of the acoustic pressure pulses were measured in the liquid outside zone 3 of the collapse (Matula, T.J., I.M. Hallaj, R.O. Cleveland, LACram, W.C. Moss, and RARoy, 1998, "The acoustic emissions from single-bubble sonoluminescence." J. Acoust. Soc. Am. V. 3, 1998, p. 1377-1382). At a distance of 1 mm from the collapse zone 3 in the
Были обнаружены импульсы избыточного давления, превышающего 1 бар на расстоянии 2,5 мм от пузырька (Wang, Z.Q., R.Pecha, В.Gompf, W.Eisenmenger "Single bubble sonoluminescence: Investigations of the emitted pressure wave with a fiber optic probe hydrophone". Phys. Rev. Ev.59, 1999, p.1777-1780).Overpressure pulses of more than 1 bar were detected at a distance of 2.5 mm from the bubble (Wang, ZQ, R. Pecha, B. Gompf, W. Eisenmenger "Single bubble sonoluminescence: Investigations of the emitted pressure wave with a fiber optic probe hydrophone ". Phys. Rev. Ev. 59, 1999, p. 1777-1780).
Авторы настоящего изобретения установили, что, как показано на схеме Фиг.1, возможно использовать энергию акустических импульсов 4 ударных волн 5 коллапса кавитационных пузырьков 1 зоны 2 кавитации для возбуждения в мишени 6, контактирующей с зоной 3 коллапса по своей внутренней поверхности 7, упругих волн 8 с обеспечением последующего инициирования внутри мишени 6 и вблизи ее наружной поверхности 9 ударной волны 10, приводящей к возбуждению атомов наружной поверхности 9 мишени 6, то есть для генерации на наружной поверхности 9 мишени 6 рентгеновского излучения 11 в окружающую среду.The authors of the present invention have found that, as shown in the diagram of FIG. 1, it is possible to use the energy of acoustic pulses 4 of the shock waves 5 of the collapse of cavitation bubbles 1 of the
Кроме того, авторы установили, что для того, чтобы ударные волны 5 от зоны 3 коллапса кавитационных пузырьков 1 достигли внутренней поверхности 7 мишени 6, необходимо, чтобы пространство между зоной 3 коллапса и внутренней поверхностью 7 мишени 6 было заполнено средой, проводящей ударную волну 5, например жидкостью.In addition, the authors found that in order for the shock waves 5 from the zone 3 of the collapse of the cavitation bubbles 1 to reach the inner surface 7 of the
В этом случае ударная волна 5, распространяющаяся в объеме жидкой среды, воздействует на внутреннюю поверхность 7 мишени 6 и возбуждает в ней вторичную упругую волну 8, движущуюся к наружной поверхности 9 мишени и преобразующуюся в ударную волну 10 вблизи ее наружной поверхности 9. Для того чтобы такой процесс перевозбуждения имел большую эффективность, необходимо соблюдение следующих условий:In this case, the shock wave 5 propagating in the volume of the liquid medium acts on the inner surface 7 of the
а) расстояние от зоны 3 коллапса кавитационного пузырька 1 до внутренней поверхности 7 мишени 6 должно быть равным или ненамного, не более чем в 2-3 раза, превышать длину преобразования упругой ультразвуковой волны акустического импульса 4, возбуждаемой в жидкости в зоне 3 коллапса, в первичную ударную волну 5 в этой жидкости,a) the distance from the zone 3 of the collapse of the cavitation bubble 1 to the inner surface 7 of the
б) должно быть обеспечено акустическое согласование между жидкой средой и материалом мишени 6, обеспечивающее большой коэффициент преобразования энергии первичной ударной волны 5 в жидкости в энергию упругой волны 8 в материале мишени 6,b) acoustic matching between the liquid medium and the
в) толщина мишени 6 должна быть достаточно большой для обеспечения преобразования упругой волны 8 в пространстве между внутренней 7 и наружной 9 поверхностями мишени во вторичную ударную волну 10 вблизи наружной поверхности 9 мишени 6.c) the thickness of the
При выполнении этих условий имеет место процесс возбуждения вторичной ударной волны 10 в мишени 6, контактирующей с жидкостью, в которой находится зона 3 коллапса. Эта ударная волна 10 движется к наружной поверхности 9 мишени 6, увеличивая амплитуду и синхронно с этим уменьшая длительность фронта ударной волны 10.Under these conditions, the process of excitation of the secondary shock wave 10 takes place in the
Эта вторичная ударная волна 10 доходит до наружной поверхности 9 мишени, отражается от ее границы с внешней средой, в частности границы с воздухом. В процессе этого отражения происходит импульсное возбуждение электронных состояний в атомах, что ведет к последующей генерации рентгеновского излучения 11. Процесс возбуждения связан с импульсным воздействием на атомы (импульсным ускорением атомов) на наружной поверхности 9 мишени 6, а также с их столкновением и деформацией электронных оболочек в этой области под воздействием ударной волны 10.This secondary shock wave 10 reaches the outer surface 9 of the target, is reflected from its border with the external environment, in particular the border with air. In the process of this reflection, pulsed excitation of electronic states in atoms occurs, which leads to the subsequent generation of X-ray radiation 11. The excitation process is associated with a pulsed action on atoms (pulsed acceleration of atoms) on the outer surface 9 of
Для иллюстрации настоящего изобретения рассмотрим некоторые из механизмов воздействия, которые могут приводить к возбуждению внутренних электронных состояний атомов на наружной поверхности 9 мишени 6.To illustrate the present invention, we consider some of the mechanisms of action that can lead to the excitation of internal electronic states of atoms on the outer surface 9 of
Первый из механизмов связан с внезапным ускорением атомов при прохождении фронта ударной волны 10 внутри материала мишени 6.The first of the mechanisms is associated with the sudden acceleration of atoms during the passage of the front of the shock wave 10 inside the
Процессу возбуждения атома с зарядом ядра Z на примере перехода 1s0→2р0 соответствует состояние с наиболее интенсивным рентгеновским излучением при внезапном ускорении атома до скорости v на фронте ударной волны 10. Вероятность такого импульсного ускорения достаточно большая, поскольку скорость движения фронта ударной волны 10 намного превышает скорость звука, а ширина фронта ΔL очень мала и в плотных средах может составлять единицы или десятки ангстрем.The process of excitation of an atom with a nuclear charge Z using the example of the 1s 0 → 2p 0 transition corresponds to the state with the most intense x-ray emission when the atom is suddenly accelerated to a velocity v at the front of the shock wave 10. The probability of such pulsed acceleration is quite high, since the speed of the front of the shock wave 10 is much exceeds the speed of sound, and the front width ΔL is very small and in dense media can be units or tens of angstroms.
Волновая функция атома в исходном состоянии имеет видThe wave function of an atom in its initial state has the form
Волновая функция электрона в атоме, движущемся со скоростью 
(Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. М., 1963, §104).(D. Blokhintsev. Fundamentals of quantum mechanics. M., 1963, § 104).
При быстром изменении скорости атома вероятность возбуждения конкретного электронного перехода 100→210 описывается выражениемWith a fast change in the atomic velocity, the probability of excitation of a specific electronic transition 100 → 210 is described by the expression
В этом выражении:In this expression:
ν100=Ze2/ħ≈2.3·108 Z см/с - среднеквадратичная скорость электрона в исходном состоянии 
Учитывая, что скорость движения атомов ν на фронте ударной волны мала по сравнению с ν100, окончательно находимTaking into account that the atomic velocity ν at the shock front is small compared with ν 100 , we finally find
W100,210≈2.2·10-3 (ν/ν100)2 W 100,210 ≈2.2 · 10 -3 (ν / ν 100 ) 2
Если подставить в это соотношение приведенное выше значение для скорости ударной волны v=vsw=4·106 см/с, то получим выражение для вероятности возбуждения Кα линии излучения в атоме с зарядом ядра ZIf we substitute the above value for the velocity of the shock wave v = v sw = 4 · 10 6 cm / s into this relation, we obtain the expression for the probability of excitation of the Kα radiation line in an atom with a nuclear charge Z
W100,210≈4·10-12/Z2 W 100,210 ≈4 · 10 -12 / Z 2
Возбужденные атомы распадаются за счет обратного спонтанного радиационного перехода 2р0→1s0 с излучением кванта характеристического излучения с энергиейExcited atoms decay due to the reverse spontaneous radiative transition 2p 0 → 1s 0 with the emission of a quantum of characteristic radiation with energy
ħω210,100=3Z2mee4/8ħ2 ħω 210,100 = 3Z 2 m e e 4 / 8ħ 2
В том случае когда мишень изготовлена из сравнительно легких атомов С, О, N с Z≤8 (например, из органического стекла), то энергия переходов будет соответствовать величинам ħω210,100≈0.7-1 КэВ.In the case when the target is made of relatively light C, O, N atoms with Z≤8 (for example, from organic glass), then the transition energy will correspond to ħω 210,100 ≈0.7-1 KeV.
Если принять в качестве примера, что на 1 см2 поверхности камеры в слое толщиной 1 микрон находится около N≈1020 атомов, то количество возбужденных за счет действия одной ударной волны атомов в этом объеме будет равно ΔN=NW100,210≈105. Прямые исследования акустических импульсов на поверхности мишени показали, что каждую секунду в камере образуется не менее 106 кавитационных пузырьков, что эквивалентно итоговому возбуждению 1011 атомов в секунду. Следовательно, при указанных параметрах такая система способна генерировать не менее 1011 квантов в секунду.If we take as an example that on 1 cm 2 the surface of the chamber in a layer 1 micron thick there are about N≈10 20 atoms, then the number of atoms excited due to the action of one shock wave will be ΔN = NW 100,210 ≈10 5 . Direct studies of acoustic pulses on the target surface showed that at least 10 6 cavitation bubbles form in the chamber every second, which is equivalent to the final excitation of 10 11 atoms per second. Therefore, with the indicated parameters, such a system is capable of generating at least 10 11 quanta per second.
Другой механизм возбуждения рентгеновского излучения при отражении ударной волны от границы плотного вещества и воздуха связан с сильной деформацией электронных оболочек атомов на фронте ударной волны из-за большого градиента давлений ∇P≈Pmax/ΔL≈1011-1012 бар/см в пределах очень узкого фронта (Аврорин Е.Н., Водолага Б.К., Симоненко В.А., Фортов В.Е. и др. Мощные ударные волны и экстремальные состояния вещества. Успехи физических наук, т.163, 1993, №5, с.1; Фортов В.Е. Мощные ударные волны и экстремальные состояния вещества. Успехи физических наук, т.177, 2007, №4, с.347). При таком напряжении происходит деформация электронных оболочек атомов на поверхности, что ведет к появлению вакансий на внутренних оболочках и вследствие этого к генерации характеристического рентгеновского излучения.Another mechanism for the excitation of x-ray radiation when a shock wave is reflected from the interface between a dense substance and air is associated with a strong deformation of the atomic shells of the atoms at the front of the shock wave due to the large pressure gradient ∇P≈P max / ΔL≈10 11 -10 12 bar / cm within very narrow front (Avrorin EN, Vodolaga B.K., Simonenko V.A., Fortov V.E. et al. Powerful shock waves and extreme states of matter. Successes in Physical Sciences, vol. 163, 1993, No. 5 , p.1; Vortov VE Powerful shock waves and extreme states of matter. Advances in Physical Sciences, vol. 177, 2007, No. 4, p. 347). At this voltage, the electron shells of atoms on the surface are deformed, which leads to the appearance of vacancies on the inner shells and, as a result, to the generation of characteristic x-ray radiation.
Таким образом, оба описанных выше механизма ведут к генерации характеристического рентгеновского излучения наружной поверхностью 9 мишени 6.Thus, both of the mechanisms described above lead to the generation of characteristic x-ray radiation by the outer surface 9 of the
При этом, согласно изобретению, при нанесении на наружную поверхность 9 мишени 6 других материалов будут генерироваться другие линии характеристического рентгеновского излучения, которые соответствуют атомам этих материалов.Moreover, according to the invention, when other materials are applied to the target surface 9 of the
Например, согласно изобретению, если на наружную поверхность 9 мишени 6 нанести слой другого вещества, например тонкий слой меди (Z=29), и обеспечить акустический контакт этого слоя с наружной поверхностью 9, то при воздействии ударной волны 10 будут возбуждаться атомы меди, и в спектре будут присутствовать более жесткие линии характеристического излучения.For example, according to the invention, if a layer of another substance, for example a thin layer of copper (Z = 29), is applied to the outer surface 9 of
При этом, если этот слой будет полностью покрывать наружную поверхность 9 мишени 6 сплошным слоем, то сквозь него не будет проходить мягкое рентгеновское излучение самого вещества материала мишени 6, и такая система будет генерировать только излучение самой меди.Moreover, if this layer will completely cover the outer surface 9 of the
Если же медь будет нанесена в виде отдельных малоразмерных фрагментов, например в виде мелкодисперсного порошка, то будет наблюдаться как более мягкое излучение от атомов материала самой мишени 6, так и излучение от нанесенной меди.If copper is deposited in the form of individual small fragments, for example, in the form of a finely dispersed powder, then softer radiation from atoms of the material of the
Таким образом, согласно изобретению, если наносить конкретный материал в виде малоразмерного фрагмента на конкретное место поверхности мишени, то можно получить локальный (квазиточечный) источник рентгеновского излучения.Thus, according to the invention, if a specific material in the form of a small fragment is applied to a specific location on the target surface, then a local (quasi-point) X-ray source can be obtained.
Таким образом, согласно изобретению, процесс генерации рентгеновского излучения происходит при импульсном воздействии (ускорении, торможении или деформации) на атомы, расположенные на наружной поверхности мишени, или на атомы, акустически связанные с наружной поверхностью мишени. Это воздействие имеет место на фронте ударной волны, формируемой при кавитационных явлениях в жидкой среде внутри камеры.Thus, according to the invention, the process of generating x-ray radiation occurs when a pulse action (acceleration, braking or deformation) on the atoms located on the outer surface of the target, or on atoms acoustically connected with the outer surface of the target. This effect takes place at the front of the shock wave formed during cavitation phenomena in a liquid medium inside the chamber.
При этом, согласно изобретению, процесс кавитации и схлопывания пузырька и сопутствующий ему процесс формирования мощного акустического импульса в окружающей его жидкой среде может быть стимулирован при разных способах изменения давления в жидкости.Moreover, according to the invention, the process of cavitation and collapse of the bubble and the accompanying process of generating a powerful acoustic pulse in the surrounding liquid medium can be stimulated with different methods of changing the pressure in the liquid.
Например, известен акустический способ возбуждения кавитационных явлений путем наложения на жидкость переменного давления (Barber B.P. et al., Phys. Reports, v.281, 1997, р.65). При этом кавитационные пузырьки возникают на стадии отрицательного давления ультразвука (растяжения). В этом способе положение центров кавитационных пузырьков остается неизменным в течение всего цикла изменения параметров этих пузырьков - от их зарождения до их коллапса. Недостатком этого способа является невозможность обеспечения большой амплитуды изменения давления за счет возбуждаемого ультразвука. Как правило, изменение давления при таком возбуждении не превышает несколько единиц бар. При такой сравнительно небольшой амплитуде изменения давления амплитуда начального акустического импульса также будет небольшой. В этих условиях процесс нелинейного формирования ударной волны из начального акустического импульса, идущего от зоны коллапса, происходит на очень большом расстоянии от пузырька, что из-за сильного поглощения может привести к тому, что ударная волна не будет формироваться.For example, an acoustic method is known for exciting cavitation phenomena by applying alternating pressure to a liquid (Barber B.P. et al., Phys. Reports, v. 281, 1997, p. 65). In this case, cavitation bubbles arise at the stage of negative ultrasound pressure (tension). In this method, the position of the centers of cavitation bubbles remains unchanged throughout the entire cycle of changes in the parameters of these bubbles - from their nucleation to their collapse. The disadvantage of this method is the inability to provide a large amplitude of the pressure change due to the excited ultrasound. As a rule, the pressure change during such excitation does not exceed several units of bar. With such a relatively small amplitude of pressure change, the amplitude of the initial acoustic pulse will also be small. Under these conditions, the process of nonlinear formation of a shock wave from an initial acoustic pulse coming from the collapse zone occurs at a very large distance from the bubble, which, due to strong absorption, can cause the shock wave to not form.
Известен также способ возбуждения кавитационных явлений путем принудительного продавливания жидкости сквозь каналы с резко изменяющимся проходным сечением (А.А.Корнилова, В.И.Высоцкий, А.И.Колдамасов, Hyun Ik Yang, Denis B. McConnell, А.В.Десятов. Генерация интенсивного направленного излучения при быстром движении струи жидкости сквозь узкие диэлектрические каналы. Поверхность, №3, 2007, с.55-60). В этом случае процесс изменения давления прямо обусловлен условиями выхода жидкости, движущейся под воздействием большого давления сквозь тонкий канал, в камеру с большим поперечным сечением. Очень резкое уменьшение давления, действующего на движущуюся жидкость, приводит к зарождению, росту и последующему схлопыванию кавитационных пузырьков в объеме струи жидкости, выходящей из тонкого канала. При этом положение изменяющихся центров кавитационных пузырьков смещается вместе с движущейся жидкостью. Этот способ не требует сложных систем для генерации в жидкости ультразвука высокой амплитуды. Такой способ формирования кавитационных пузырьков реализуется, например, в ячейке Колдамасова.There is also a known method of excitation of cavitation phenomena by forcing fluid through a channel with a sharply changing flow area (A.A. Kornilova, V.I. Vysotsky, A.I. Koldamasov, Hyun Ik Yang, Denis B. McConnell, A.V. Desyatov Generation of intense directional radiation during fast movement of a liquid stream through narrow dielectric channels (Surface, No. 3, 2007, p. 55-60). In this case, the process of pressure change is directly caused by the conditions for the exit of a fluid moving under the influence of high pressure through a thin channel into a chamber with a large cross section. A very sharp decrease in the pressure acting on a moving fluid leads to the nucleation, growth, and subsequent collapse of cavitation bubbles in the volume of a fluid jet emerging from a thin channel. In this case, the position of the changing centers of cavitation bubbles is shifted together with the moving fluid. This method does not require complex systems for generating high-amplitude ultrasound in a liquid. This method of formation of cavitation bubbles is implemented, for example, in Koldamasov’s cell.
При этом изменение амплитуды давления в объеме движущейся жидкости при резком изменении проходного сечения каналов оказывается очень большим и может достигать 50-100 бар, что обеспечивает формирование интенсивных ударных волн сразу за границами зоны коллапса.In this case, the change in the pressure amplitude in the volume of the moving fluid with a sharp change in the passage section of the channels turns out to be very large and can reach 50-100 bar, which ensures the formation of intense shock waves immediately beyond the boundaries of the collapse zone.
Кроме того, согласно изобретению, для формирования областей кавитации в потоке жидкости может быть применена стимуляция зарождения кавитационных пузырьков путем образования в потоке жидкости микрозародышей кавитационных пузырьков. Такими микрозародышами могут быть, например, молекулы примесей или молекулы растворенного газа. Кроме того, вероятность появления кавитационных микропузырьков резко возрастает при воздействии на жидкость потоком тяжелых заряженных частиц, образующих зародыши кавитации.In addition, according to the invention, for the formation of cavitation areas in a fluid stream, stimulation of the initiation of cavitation bubbles by the formation of cavitation bubble micro-nuclei in the fluid flow can be applied. Such microgerms may be, for example, impurity molecules or dissolved gas molecules. In addition, the likelihood of cavitation microbubbles increases sharply when a fluid is exposed to a stream of heavy charged particles that form cavitation nuclei.
Способ получения рентгеновского излучения может быть осуществлен в устройстве, показанном на Фиг.2, содержащем сообщенные между собой последовательно:A method of obtaining x-ray radiation can be carried out in the device shown in figure 2, containing communicated with each other in series:
- устройство 12 подачи исходного потока жидкой среды, обеспечивающее заданное давление и скорость в потоке;- a
- устройство 13 сжатия жидкой среды, обеспечивающее образование на выходе из устройства высоконапорного потока жидкой среды с заданным давлением и температурой;- a
- устройство 14 расширения жидкой среды, обеспечивающее образование зон кавитации, по меньшей мере, в периферийных областях потока жидкой среды;- a
- устройство 15 рентгеновского излучения, содержащее устройство 16 мишени, сообщенное с устройством 14 расширения жидкой среды, по меньшей мере, в области зон 3 коллапса областей 2 кавитации жидкой среды;- an
- устройство 17 вывода отработавшей жидкой среды.-
При этом устройство 12 формирования исходного потока рабочей жидкой среды может быть выполнено в виде трубопровода 18 с насосом 19, снабженного датчиком 20 давления.In this case, the
Устройство 13 сжатия жидкой среды может быть выполнено в виде корпуса 21, имеющего внутреннюю полость 22 с устройством 23 ввода и устройством 24 вывода жидкой среды и снабженного датчиком давления (на чертеже не показан) и устройством регулирования температуры (на чертеже не показано) жидкой среды в корпусе 21, например теплообменником.The
При этом устройство 24 вывода жидкой среды из устройства 13 сжатия в устройство 14 расширения может быть выполнено, например, в виде перегородки 25, в которой закреплена съемная диафрагма 26 из диэлектрического материала, имеющая узкий канал 27, длина и площадь проходного сечения которого обеспечивают образование на выходе из устройства 24 вывода потока жидкой среды заданной формы с заданным давлением. Однако диафрагма 26 может иметь несколько узких каналов 27 для создания многоструйного потока жидкой среды, что позволяет регулировать параметры потока жидкой среды, например давление, направление струй жидкости и расположение формируемых областей кавитации струй жидкой среды.In this case, the
Устройство 14 расширения жидкой среды может быть выполнено в виде рабочей камеры 28, снабженной устройством регулирования температуры, например теплообменником (на чертеже не показано), обеспечивающим регулирование температуры жидкой среды во внутренней полости 29 рабочей камеры 28 в заданном диапазоне температур. Конфигурация и размеры внутренней полости 29 обеспечивают образование областей 2 кавитации, по меньшей мере, в периферийных областях потока поступающей жидкой среды. Конструктивные параметры устройства 24 вывода указанного потока жидкой среды из устройства 13 сжатия в рабочую камеру 28 и устройства 17 вывода отработавшей жидкой среды обеспечивают во внутренней полости 29 заданное давление, являющееся оптимальным для обеспечения требуемой интенсивности процесса образования и коллапса кавитационных пузырьков, то есть процесса формирования в областях 2 кавитации (Фиг.1) ультразвуковых акустических импульсов 4 и ударных волн 5 с заданными параметрами.The
Устройство 15 рентгеновского излучения содержит устройство 16 мишени, содержащее мишень 6, сообщенную с внутренней полостью 29 рабочей камеры 28 устройства 14 расширения жидкой среды, по меньшей мере, в области зон 3 коллапса областей 2 кавитации жидкой среды.The
При этом, согласно изобретению, мишень 6 своей внутренней поверхностью 30 размещена на внутренней стенке 31 рабочей камеры 28 устройства 14 расширения жидкой среды или акустически сообщена с внутренней стенкой 31 в области контакта внутренней стенки 31 с областью 2 кавитации жидкой среды и может быть выполнена из диэлектрического материала, например органического стекла, или материала с легкими атомами.Moreover, according to the invention, the
Согласно изобретению, в зависимости от того, какое рентгеновское излучение требуется получить, - излучение однородного вещества материала мишени или излучение другого вещества, отличного от вещества материала мишени, или смешанное излучение вещества материала мишени и другого вещества или излучение неоднородного вещества материала мишени, мишень 6 может быть выполнена однослойной, двухслойной или комбинированной - содержащей различные атомы, излучение которых требуется получить. Указанные варианты мишени 6 могут быть реализованы на основе известных технологий.According to the invention, depending on what kind of x-ray radiation is to be obtained — radiation of a homogeneous substance of a target material or radiation of another substance other than a substance of a target material, or mixed radiation of a substance of a target material and another substance or radiation of a non-uniform substance of a target material,
Схематично эволюция (Фиг.1) движущегося кавитационного пузырька, от зарождения после выхода из канала 27, последующего роста до максимального размера и коллапса на внутренней стенке 31 рабочей камеры 28, показана на линии 32.Schematically, the evolution (Fig. 1) of a moving cavitation bubble, from nucleation after leaving
В экспериментах, проведенных авторами, была использована рабочая камера 28 из органического стекла, которая имела длину 15 см, диаметр 8 см и была изготовлена из органического стекла с толщиной стенок около 3 см. В центре камеры 28 находилась диэлектрическая перегородка 25 длиной 2 см, сквозь которую проходила съемная диафрагма 26, в одной группе экспертиментов имеющая один узкий прямолинейный канал 27 диаметром около 1 мм, в другой группе экспертиментов имеющая 4 узких прямолинейных канала 27, расположенных по окружности.In the experiments conducted by the authors, an organic
В одной из групп экспериментов в качестве мишени 6 использовали стенку рабочей камеры 28 из органического стекла, имеющую внутреннюю поверхность 31 и наружную поверхность 33.In one of the groups of experiments, the
В другой группе экспериментов в качестве мишени 6 использовали стенку рабочей камеры 28 из органического стекла, на наружную поверхность 33 которой был напылением нанесен слой порошка меди, механически и акустически связанный с ее наружной поверхностью 33. Были также проведены эксперименты с использованием в качестве мишени 6 стенки рабочей камеры 28 органического стекла, изготовленного с содержанием меди.In another group of experiments, the wall of the working
Эксперименты по возбуждению кавитации в объеме прокачиваемой жидкой среды были проведены в режиме поэтапного возрастания давления и в импульсном режиме. При этом в одной группе экспериментов обеспечивали регулирование частоты и мощности получаемого рентгеновского излучения путем изменения давления в потоке жидкости перед областью его последующего быстрого расширения за счет изменения напора в потоке перед узким каналом 27. В другой группе экспериментов регулирование частоты и мощности получаемого рентгеновского излучения проводили путем формирования многоструйного потока жидкой среды в области его последующего быстрого расширения за счет использования съемной диафрагмы 25 со множеством узких каналов 27 (на чертеже не показано) и изменения напора в потоке перед ними.The experiments on the initiation of cavitation in the volume of the pumped liquid medium were carried out in a mode of gradual increase in pressure and in a pulsed mode. Moreover, in one group of experiments, the frequency and power of the obtained x-ray radiation was controlled by changing the pressure in the liquid flow in front of the region of its subsequent rapid expansion by changing the pressure in the stream in front of the
Для обеспечения стимуляции образования областей кавитации в потоке жидкости в качестве жидкой среды было использовано веретенное масло, содержащее мелкодисперсные жировые включения, играющие роль примесей, являющихся центрами зарождения пузырьков.To provide stimulation of the formation of cavitation regions in the fluid flow, spindle oil containing finely dispersed fatty inclusions playing the role of impurities, which are the nucleation centers of the bubbles, was used as a liquid medium.
Специалистам в области радиационных технологий должно быть понятно, что стимуляция может быть также проведена с помощью облучения жидкости в области ее быстрого расширения потоком заряженных частиц, имеющих в жидкости длину пробега, соответствующую желаемым размерам области кавитации. Например, в качестве источника таких заряженных частиц можно использовать долгоживущий радиоактивный изотоп, например Pu239 или Am241, испускающий альфа-частицы.Specialists in the field of radiation technology should understand that stimulation can also be carried out by irradiating a liquid in the field of its rapid expansion by a stream of charged particles having a mean free path in the liquid corresponding to the desired size of the cavitation area. For example, a long-lived radioactive isotope, such as Pu 239 or Am 241 , emitting alpha particles, can be used as a source of such charged particles.
Способ получения рентгеновского излучения согласно изобретению был осуществлен следующим образом.The method of producing x-ray radiation according to the invention was carried out as follows.
Жидкую среду в виде веретенного масла закачивали через устройство 12 подачи исходного потока жидкой среды, обеспечивающее образование на выходе из устройства высоконапорного потока жидкой среды с заданным давлением и температурой в устройство 13 сжатия жидкой среды, а затем через каналы 27 устройства 24 вывода - в рабочую камеру 28 устройства 14 расширения. В рабочей камере 28 обеспечивали направление струй потока масла, имеющих области кавитации, в сторону внутренней стенки 31 в области расположения внутренней поверхности 30 мишени 6. Регистрацию спектра излучения, получаемого с наружной поверхности 9 мишени 6, проводили с использованием комбинированного амплитудного рентгеновского и гамма-детектора XR-100T-CdTe на основе монокристалла CdT, который позволяет регистрировать излучение с разрешением не ниже 250 эВ во всем диапазоне энергий от 0.5 до 500 КэВ.The liquid medium in the form of spindle oil was pumped through a
В исходном состоянии цвет веретенного масла был светло-коричневым и достаточно прозрачным, а само масло заполняло весь объем камеры 28.In the initial state, the color of the spindle oil was light brown and fairly transparent, and the oil itself filled the entire volume of the
При давлении около 25-30 атм в объеме масла после его выхода из каналов 27 наблюдали процесс формирования начальной турбулентности в виде вихрей, видимых невооруженным глазом. При возрастании давления до 35-40 атм средний размер турбулентных вихрей становится очень маленьким. При давлении 55-60 атм происходит поэтапное и синхронизованное с ростом давления увеличение прозрачности движущегося масла в пространстве после выхода из каналов 27, что вызвано уменьшением размера кавитационных пузырьков, и начинается отрыв потока движущейся жидкости от стенок рабочей камеры 28.At a pressure of about 25-30 atm in the oil volume after it exited the
При увеличении давления до 70-80 атм после выхода из каналов 27 поток жидкости принимает вид прямолинейной струи, которая очень ярко светится в области спектра бело-голубого цвета, конфигурация которого полностью совпадает с формой струи быстро движущегося веретенного масла.When the pressure increases to 70-80 atm after exiting the
При детальном исследовании было обнаружено, что при протекании жидкости в режиме кавитации за пределами толстостенной герметичной камеры регистрируется интенсивное рентгеновское излучение.In a detailed study, it was found that when a fluid flows in cavitation mode, intense x-ray radiation is detected outside the thick-walled sealed chamber.
При этом при давлении в диапазоне 35-40 атм около внешней поверхности камеры было зарегистрировано излучение с энергией около 1 КэВ в пределах полосы шириной 300 эВ.Moreover, at a pressure in the range of 35–40 atm near the outer surface of the chamber, radiation with an energy of about 1 keV was recorded within a band 300 eV wide.
При экспериментах, проведенных с нанесением на наружную поверхность 33 камеры 28 порошка меди, механически и акустически связанного с ее наружной поверхностью 33, в спектре, кроме линии с энергией 1 КэВ, появлялись интенсивные линии рентгеновского излучения с энергией около 3.5 КэВ.In experiments conducted with the application of copper powder mechanically and acoustically bonded to its outer surface 33 on the outer surface 33 of
При увеличении давления жидкости появлялись дополнительные более жесткие линии спектра, а амплитуда генерируемого спектра постепенно уменьшалась. Увеличение энергии генерируемого излучения связано с возрастанием энергии ударных волн, которые могли возбуждать более глубокие рентгеновские уровни, а уменьшение интенсивности связано с тем, что при возрастании давления меньшая часть струи жидкости касалась внутренних стенок 31 камеры 28. При достижении давления 55-60 атм генерация излучения прекращалась. Прекращение излучения связано с полным отрывом потока жидкости с кавитационными пузырьками от внутренней поверхности 31 камеры 28, в результате чего стала невозможной передача ударной волны из объема жидкости в мишень 16.As the liquid pressure increased, additional more rigid spectral lines appeared, and the amplitude of the generated spectrum gradually decreased. An increase in the energy of the generated radiation is associated with an increase in the energy of shock waves, which could excite deeper X-ray levels, and a decrease in the intensity is associated with the fact that with increasing pressure a smaller part of the liquid jet touched the
Таким образом, при применении способа получения рентгеновского излучения согласно изобретению было получено рентгеновское излучение. При этом спект полученного рентгеновского излучения был различен в зависимости от варианта выполнения используемой мишени.Thus, when applying the method for producing x-ray radiation according to the invention, x-ray radiation was obtained. In this case, the spectrum of the obtained x-ray radiation was different depending on the embodiment of the target used.
Специалистам в области радиационных технологий должно быть понятно, что в способ получения рентгеновского излучения и устройство для его осуществления могут быть внесены различные усовершенствования и улучшения, не выходящие за рамки формулы изобретения. Например, могут быть применены различные варианты мишеней, например, с различной площадью нанесенных на основной материал мишени фрагментов других веществ, в зависимости от того, какое характеристическое излучение предполагается получать, что позволит реализовать источники рентгеновского излучения различных габаритов с различной мощностью.Specialists in the field of radiation technology should be clear that in the method of producing x-ray radiation and a device for its implementation can be made various improvements and improvements, not beyond the scope of the claims. For example, different versions of the targets can be used, for example, with different areas of fragments of other substances deposited on the main material of the target, depending on what characteristic radiation is supposed to be received, which will make it possible to realize x-ray sources of various sizes with different powers.
Способ получения рентгеновского излучения согласно изобретению может быть осуществлен в устройстве для его осуществления согласно изобретению, выполненном с использованием известных технологических приемов и известного оборудования.A method of producing x-ray radiation according to the invention can be implemented in a device for its implementation according to the invention, made using known technological methods and known equipment.
Настоящее изобретение может быть использовано в различных областях народного хозяйства, например в медицине, в нефтехимической промышленности, в пищевой промышленности.The present invention can be used in various fields of national economy, for example, in medicine, in the petrochemical industry, in the food industry.
Claims (39)
- устройство подачи исходного потока жидкой среды, обеспечивающее заданное давление и скорость в потоке;
- устройство сжатия жидкой среды, обеспечивающее образование на выходе из устройства высоконапорной струи жидкой среды с заданным давлением и температурой;
- устройство расширения жидкой среды, обеспечивающее образование областей кавитации, по меньшей мере, в периферийных областях потока жидкой среды;
- устройство вывода отработавшей жидкой среды;
- а также сообщенное с внутренней полостью устройства расширения жидкой среды, по меньшей мере, в области зон коллапса устройство генерации внешнего рентгеновского излучения, содержащее мишень, приспособленную для получения на ее наружной поверхности желаемого рентгеновского излучения.23. A device for implementing a method for producing x-ray radiation, containing interconnected in series:
- a feed device for the initial flow of a liquid medium, providing a given pressure and speed in the stream;
- a device for compressing a liquid medium, which ensures the formation at the outlet of the device of a high-pressure jet of a liquid medium with a given pressure and temperature;
- a device for expanding a liquid medium, providing the formation of areas of cavitation, at least in the peripheral regions of the flow of a liquid medium;
- a device for outputting spent liquid medium;
- as well as a device for generating external x-ray radiation communicated with the internal cavity of the device for expanding the liquid medium, at least in the region of the collapse zones, containing a target adapted to receive the desired x-ray radiation on its outer surface.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010115391/07A RU2454840C2 (en) | 2008-08-12 | 2008-08-12 | Method of generating x-ray radiation device for realising said method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010115391/07A RU2454840C2 (en) | 2008-08-12 | 2008-08-12 | Method of generating x-ray radiation device for realising said method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2454840C2 true RU2454840C2 (en) | 2012-06-27 |
Family
ID=46682045
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010115391/07A RU2454840C2 (en) | 2008-08-12 | 2008-08-12 | Method of generating x-ray radiation device for realising said method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2454840C2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2096934C1 (en) * | 1995-11-29 | 1997-11-20 | Милья Аркадьевич Маргулис | Method for generation of high-temperature plasma and running thermonuclear reactions |
| WO2003061989A1 (en) * | 2002-01-18 | 2003-07-31 | Nanospire, Inc. | Method and apparatus for the controlled formation of cavitation bubbles |
| US6647094B2 (en) * | 2001-06-19 | 2003-11-11 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | X-ray source provided with a liquid metal target |
| RU2006124013A (en) * | 2006-07-04 | 2008-01-20 | Александр Яковлевич Стрельцов (RU) | METHOD FOR OBTAINING INVERSE POPULATION OF ATOMIC LEVELS OF THE WORKING SUBSTANCE OF LASERS USING THERMONUCLEAR EXPLOSIONS CAUSED BY CUMULATION AND SOLONUMINESCENCE Phenomena |
-
2008
- 2008-08-12 RU RU2010115391/07A patent/RU2454840C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2096934C1 (en) * | 1995-11-29 | 1997-11-20 | Милья Аркадьевич Маргулис | Method for generation of high-temperature plasma and running thermonuclear reactions |
| US6647094B2 (en) * | 2001-06-19 | 2003-11-11 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | X-ray source provided with a liquid metal target |
| WO2003061989A1 (en) * | 2002-01-18 | 2003-07-31 | Nanospire, Inc. | Method and apparatus for the controlled formation of cavitation bubbles |
| RU2006124013A (en) * | 2006-07-04 | 2008-01-20 | Александр Яковлевич Стрельцов (RU) | METHOD FOR OBTAINING INVERSE POPULATION OF ATOMIC LEVELS OF THE WORKING SUBSTANCE OF LASERS USING THERMONUCLEAR EXPLOSIONS CAUSED BY CUMULATION AND SOLONUMINESCENCE Phenomena |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yasui et al. | Acoustic cavitation | |
| Gaitan et al. | Transient cavitation in high-quality-factor resonators at high static pressures | |
| Taleyarkhan et al. | Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation | |
| Crum | Sonoluminescence | |
| US5659173A (en) | Converting acoustic energy into useful other energy forms | |
| US20050135532A1 (en) | Methods and apparatus to induce D-D and D-T reactions | |
| US6234765B1 (en) | Ultrasonic phase pump | |
| Gaitan | An experimental investigation of acoustic cavitation in gaseous liquids | |
| Kuijpers | Theory of type IV DM bursts | |
| Nikitenko | Plasma formation during acoustic cavitation: toward a new paradigm for sonochemistry | |
| Podbevšek et al. | Experimental evaluation of methodologies for single transient cavitation bubble generation in liquids | |
| Crum | Resource paper: sonoluminescence | |
| Karpov et al. | Nonlinear wave interactions in bubble layers | |
| Nigmatulin et al. | Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation revisited | |
| Margulis | Fundamental problems of sonochemistry and cavitation | |
| Lyamshev | Radiation acoustics | |
| Toriyabe et al. | Acceleration of the d+ d reaction in metal lithium acoustic cavitation with deuteron bombardment from 30 to 70 keV | |
| JPH0367196A (en) | Experimenting device for nuclear fusion | |
| Antonov et al. | γ-ray-pulse formation in a vibrating recoilless resonant absorber | |
| Lahey Jr et al. | Sonoluminescence and the Search for Sonofusion | |
| RU2454840C2 (en) | Method of generating x-ray radiation device for realising said method | |
| Matula et al. | Comparisons of sonoluminescence from single-bubbles and cavitation fields: bridging the gap | |
| Gangadhara et al. | The modulation of radiation in an electron–positron plasma | |
| Greene et al. | Advances in heat transfer | |
| Rudenko | Nonlinear acoustic waves in liquids with gas bubbles: A review |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130813 |