Устройство для генерации направленного импульсного рентгеновского излучения

Устройство для генерации направленного импульсного рентгеновского излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области рентгенотехники и может быть использовано при разработке и изготовлении различных устройств для медицины, рентгенографии, рентгеноспектрального анализа и дефектоскопии материалов, рентгеновской микроскопии.

Общим требованием к источникам рентгеновского излучения (электромагнитное излучение в спектральной области между УФ- и гамма-излучением в пределах длин волн λ от 10² до 10^-3 нм, или энергией фотонов hν от 10 эВ до нескольких МэВ) является простота их применения и возможность минимальными средствами управления формированием и геометрическими параметрами рентгеновского луча. В качестве источников рентгеновского излучения могут служить радиоактивные изотопы и устройства, генерирующие рентгеновское излучение. На практике наибольшее распространение получили такие устройства для генерации рентгеновского излучения, как рентгеновские трубки, интенсивность излучения которых на несколько порядков превосходит интенсивность изотопных источников. В настоящее время повышение технических и технологических характеристик источников рентгеновского излучения достигается за счет как совершенствования конструкции известных устройств, так и создания принципиально новых конструкций. Последнее предполагает создание функциональных сред, выполняющих роль как материалов для генерации рентгеновского излучения, так и управляющих устройств для преобразования сигналов.

Известны устройства для генерации рентгеновского излучения, основанные на воздействии в вакууме пучка электронов на твердотельную мишень, электронная подсистема материала которой определяет спектр рентгеновского излучения (Рентгенотехника. Справочник, кн. 1-2, М., 1980]. Во всех подобных системах имеются активные элементы - мишень и внешний источник потока электронов. Наиболее распространенное устройство для генерации рентгеновского излучения - рентгеновская трубка, в которой электроны, вырывающиеся из катода в результате термоэлектронной или автоэлектронной эмиссии, ускоряются электрическим полем и бомбардируют металлический (Cu, Ag, Co и др.) анод (мишень), атомы которого, возбуждаемые электронным ударом, и электроны, теряющие кинетическую энергию при торможении в веществе, испускают рентгеновское излучение. Тормозное рентгеновское излучение распространяется перпендикулярно направлению потока электронов, характеристическое - изотропно. К недостаткам предлагаемых разработок можно отнести сложность конструкции для управления изотропным пучком рентгеновского излучения.

Известны рентгеновские лазеры - источники когерентного электромагнитного излучения рентгеновского диапазона [УФН т.168, №8, стр.843-876. Проблема угловой расходимости и пространственной когерентности излучения рентгеновского лазера. П.Д. Гаспарян и другие], в которых эффект достигается обработкой мишени (иттрий и др.) мощными лазерами видимого и ИК-диапазонов (например, YAG-лазер). Длительность импульса генерации рентгеновского лазера составляет 0,1-10 нс и определяется временем жизни плазменного образования. Пороговые условия генерации рентгеновских лучей зависят от значений плотности ионов в плазме, инициирующих переход электронов на соответствующие уровни. Данное техническое решение недостаточно эффективно обеспечивает управление параметрами рентгеновского излучения.

Наиболее близким устройством для генерации рентгеновского излучения к заявляемому по своей технической сущности является устройство, представленное в работе [Чернега Н.В., Самойлович М.И., Белянин А.Ф., Кудрявцева А.Д., Клещева С.М. Генерация электромагнитного и акустического излучений в наноструктурированных системах // Нано- и микросистемная техника. 2011. №4. С.21-31]. Устройство включает рубиновый лазер (внешний источник энергии) с мощностью не менее 0,5 ГВт/см², опаловую матрицу - упорядоченную структуру из микросфер кремнезема (рентгеноаморфный SiO₂) диаметром 0,2-0,4 мкм, установленную на подложке (медной или кремневой), помещенной в контейнер с жидким азотом. Излучение рубинового лазера на длине волны λ=694,3 нм фокусировалось на образец опаловой матрицы при различных значениях плотности мощности на поверхности образца. В результате взаимодействия импульсного лазерного излучения (наносекундного диапазона длительности) с трехмерной фотонно-фононной средой - упорядоченной упаковкой наносфер SiО₂ - генерировалось не только акустическое излучение в диапазоне 5-15 ГГЦ (подробнее в указанной статье и в патенте РФ №2371259), но и импульсное рентгеновское излучение, регистрируемое рентгеновской фотопленкой. Однако указанное устройство не дает возможность формировать направленное рентгеновское излучение, поскольку угол разброса таких импульсов (при небольшой расходимости отдельного импульса) как в телесном угле, так и в плоскости, перпендикулярной направлению падающего лазерного излучения составлял не менее двух радиан (до 110-120°).

Задачей настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего получение направленного рентгеновского излучения. Уменьшение угла разброса импульсов генерируемого рентгеновского излучения достигается за счет того, что опаловая матрица изготовлена в виде образца, имеющего плоскопараллельные поверхности, которые контактируют с пластинами из пьезоэлектрических материалов, изготовленных из монокристаллов с большим (свыше 0,2%) коэффициентом электромеханической связи, что позволяет создать выделенное направление для акустических волн, которые за счет фотон-фононного взаимодействия с рентгеновскими излучением (такой механизм подробно описан, например, в статье К.Н.Платонова, И.Н.Топтыгина и Г.Д.Фейшмана. Излучение частиц в средах с неоднородностями и когерентное тормозное излучение. УФН (1990), т.160, вып.4, стр.50-70). Предлагаемое устройство для генерации направленного импульсного рентгеновского излучения включает внешний источник энергии - рубиновый лазер; мишень - образец опаловой матрицы, и, в отличие от ранее применявшихся, образец опаловой матрицы выполнен с плоскопараллельными поверхностями, которые контактируют с пластинами из пьезоэлектрических материалов, изготовленных из кристаллов с большим (свыше 0,2%) коэффициентом электромеханической связи. Образец опаловой матрицы и пластины из пьезоэлектрического материала скреплены с использованием слоя смазки с температурой замерзания не ниже 200 К или механического зажима (струбцины) с усилием меньше разрушающего опаловую матрицу.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в генерации направленного рентгеновского излучения, которую обеспечивает скрепление с плоскопараллельными поверхностями образца опаловой матрицы пластин из пьезоэлектрических материалов, изготовленных из кристаллов с большим (свыше 0,2%) коэффициентом электромеханической связи. По существу, технический результат заключается в том, что в такой конструкции образец опаловой матрицы, состоящей из упорядоченно расположенных микросфер SiO₂, диаметром 0,2-0,4 мкм, обладает способностью при воздействии мощного лазерного излучения генерировать направленное рентгеновское излучение при условии создания в образце выделенного направления для одновременно возбуждаемых акустических колебаний. В качестве монокристаллов пьезоэлектрических материалов используются стронций-ниобат бария (SBN, Sr_xBa_1-x(NbO₃)₂, в частности Sr_0.6Ва_0.4(NbO₃)₂), ниобат лития (LiNbO₃) или титанат бария (BaTiO₃). Таким образом, устройство включает в себя композиционную структуру, которая состоит из пластин пьезоэлектрических материалов и образца опаловой матрицы: пьезоэлектрик - опаловая матрица - пьезоэлектрик (например, SBN - опаловая матрица - SBN, LiNbO₃ - опаловая матрица - LiNbO₃, BaTiO₃ - опаловая матрица - BaTiO₃ и другие). Образец опаловой матрицы скрепляется с пластинами пьезоэлектрических материалов различными способами, при этом предлагаемые методы крепления обеспечивают стойкость конструкции к разрушению от механических напряжений, возникающих при воздействии лазерного излучения на композиционную структуру.

Техническое решение можно продемонстрировать иллюстрацией, представленной на рис.1, на котором показана схема устройства для генерации направленного импульсного рентгеновского излучения, где: 1 - рубиновый лазер, 2 - образец опаловой матрицы (упорядоченная структура из микросфер рентгеноаморфного кремнезема (SiO₂) диаметром 0,2-0,4 мкм), 3, 4 - пластины из монокристаллов пьезоэлектрических материалов (ниобат лития, титанат бария, SBN), 5 - пучок накачки, 6 - рентгеновская кассета с пленкой, 7 - подложка, 8 - кювета с жидким азотом, 9 - смазка.

Объемные заготовки рентгеноаморфного кремнезема, сформированные на основе упорядоченно расположенных наносфер SiO₂, из которых вырезались образцы опаловых матриц с плоскопараллельными поверхностями, изготавливали реакцией гидролиза тетраэфира ортокремниевой кислоты (Si(OC₂H₅)₄) в этаноле (С₂Н₅OН) в присутствии катализатора - гидрооксида аммония (NH₄OH) (смешение 1 части NH₄OH (25% водный раствор), 50 частей С₂Н₅OН и 1,6 частей Si(OC₂H₅)₄, предварительно прогретого при температуре 105°С в течение 180 минут). Изготовленная суспензия наносфер рентгеноаморфного кремнезема помещается в сосуд из кварцевого стекла на срок 2-3 месяца (в зависимости от заданного объема осаждаемого материала). Полученная заготовка подвергалась сушке и термообработке в сушильном шкафу при 150°С в течение суток и в муфельной печи при 700°С в течение 10 часов. Для получения объемного материала с заданными диаметрами микросфер SiO₂ в диапазоне 200-400 нм изменяют концентрацию Si(OC₂H₅)₄ и другие технологические параметры. Технология получения и реальное строение рентгеноаморфного кремнезема, представленного упорядоченной упаковкой микросфер SiO₂, подробно рассмотрены в литературе, например в книге: [Наноматериалы. III. Фотонные кристаллы и нанокомпозиты на основе опаловых матриц // Коллективная монография. Под ред. М.И.Самойловича. М.: Техномаш. 2007. 303 с.].

Предлагаемое устройство для генерации направленного импульсного рентгеновского излучения включает в себя рубиновый лазер, работающий в режиме модуляции добротности (внешний источник энергии) (длина волны генерации 694,3 нм, длительность одиночных импульсов 20 нс), мощностью не менее 0,5 ГВт/см² (1), композиционную структуру, состоящую из образца опаловой матрицы - упорядоченной структуры из микросфер SiO₂ диаметром 0,2-0,4 мкм (опаловая матрица изготовлена в виде образца, имеющего плоскопараллельные поверхности) (2), на которых закреплены с использованием смазки (9) пластины пьезоэлектрических материалов (3 и 4), изготовленных из монокристаллов с большим (свыше 0,2%) коэффициентом электромеханической связи. Излучение лазера фокусировалось на композиционную структуру, которая установлена на массивной (обеспечивается интенсивный отвод тепла от композиционной структуры) подложке (медь или кремний) (7). Подложка (7) с закрепленной композиционной структурой (3-2-4) при необходимости размещалась в кювету с жидким азотом (8) таким образом, чтобы композиционная структура находились над поверхностью азота. Образец опаловой матрицы между пластинами пьезоэлектрических материалов закрепляется с использованием жидкости - смазки (например, силиконовой, глицерина и других) с температурой замерзания не ниже 200 К. Образец опаловой матрицы и пьезоэлектрические пластины могут быть также закреплены с использованием механического зажима (струбцины) с усилием меньше разрушающего образец опаловой матрицы. Управление генерируемым рентгеновским излучением обеспечивает плотный контакт, не разрушающий композиционную структуру, и максимальный эффект уменьшения разброса отдельных импульсов рентгеновского излучения, фиксируемый по поперечным размерам области засвечивания рентгеновской пленки (характеризующей указанный разброс телесным углом, измеряемым по углу с вершиной в центре образца для азимутальной плоскости, перпендикулярной направлению падающего лазерного излучения и проходящей через центры поверхностей, к которым крепятся пластины). Вид областей затемнения рентгеновской пленки при генерации по прототипу (а) и по предлагаемому способу (б) приведен на рис.2.

Лазерный луч направляют параллельно поверхностям контакта опаловой матрицы и пластин, изготовленных из пьезоэлектрических материалов, обладающих высокой пьезоэлектрической эффективностью (коэффициент электромеханической связи более 0,2%). Расстояние между рентгеновской кассетой с пленкой (6) и образцом опаловой матрицы (2) - 50 мм.

Осуществление изобретения

Было изготовлено устройство, состоящее из рубинового лазера, чье излучение воздействует на образец опаловой матрицы, сформированной на основе упорядоченно расположенных микросфер SiO₂ диаметром 0,25 мкм. Образцы опаловых матриц, изготовленные механической обработкой с использованием шлифовальной техники, с размерами 5×5×2(3) мм закрепляли между пластинами (5×5×1(2) мм), изготовленными из пьезоэлектрического материала. Для оценки показателей устройства были проведены испытания с применением композиционных структур, в которых пластины пьезоэлектриков изготавливали из различных пьезоэлектрических материалов, выращенных различными методами. Использовались пластины, вырезанные из объемных монокристаллов, при этом кристаллографическая ось Z ориентировалась перпендикулярно плоскости пластины. Перед нанесением смазки на пластины пьезоэлектрических материалов проводилась подготовка контактной поверхности (обработка во фтористо-водородной кислоте с последующей отмывкой в проточной воде, обработка этанолом и сушка в термостате при 100°С в течение 30-40 минут). Были изготовлены различные серии образцов, отличающиеся по толщине пластин.

Рентгеновская пленка закреплялась на краю кюветы, заполненной жидким азотом, на расстоянии 50 мм от образца опаловой матрицы, размещенного на медной подложке. Сигнал представлял собой небольшую по диаметру область - яркую точку размером порядка 0,2 мм с характерным пространственным распределением. Изменение интенсивности лазерного излучения не приводило к изменению размера пятна. Удаление кассеты от образца на расстояние от 50 до 200 мм не приводило к существенному изменению размера и относительной интенсивности регистрируемого сигнала, что свидетельствовало о небольшом телесном угле излучения (<1·10^-3 рад) для одиночного импульса. Измерения проводились в температурном диапазоне от комнатной температуры (300 К) до температур, близких к температуре жидкого азота (90-100 К). Регистрация пространственного распределения излучения рентгеновского диапазона осуществлялась с использованием рентгеновских кассет РЕНЕКС ЭУ-И4 в комбинации с пленкой Kodak, предназначенных для рентгеновского излучения, получаемого с использованием рентгеновских трубок с напряжением на них в интервале от 40 до 100 кВ. Вид областей затемнения рентгеновской пленки при генерации по прототипу (а) и по предлагаемому способу (б) показан на рис.2.

Излучение рубинового лазера фокусировалось на поверхность композиционной структуры, для чего использовались линзы с различным фокусным расстоянием. Измерения проводились для различных значений плотности мощности на поверхности образца. Лазерный луч направляют параллельно поверхностям контакта образца опаловой матрицы и пластин пьезоэлектрических материалов.

В таблице 1 приведены примеры осуществления предлагаемого устройства с использованием различных пьезоэлектрических материалов и методов их крепления к образцу опаловой матрицы в экспериментах, проводимых как при комнатной температуре, так и при охлаждении жидким азотом. Все сравнительные измерения проводились на образах опаловых матриц размером 5×5×3 мм при фиксированном расстоянии центр образца - рентгеновская пленка (50 мм), для сравнения с материалами с небольшим коэффициентом электромеханической связи использовались пластины, вырезанные из кристалла пьезокварца (SiO₂).

Таблица 1.
Показатели генерируемого рентгеновского излучения.
№ примера	Параметры образца опаловой матрицы	Материал пьезоэлектрика	Расходимость рентгеновского излучения, рад
Температура образца, К	Крепление с пластиной пьезоэлектрика
1. Прототип	300	-	-	2
2. Прототип	90	-	-	2
3	300	Глицерин	SBN	1·10-1
4	90	Глицерин	SBN	<1·10-1
5	300	механическое	SBN	1·10-3
6	150	Глицерин	SBN	1·10-1
7	300	механическое	SBN	1·10-1
9	100	механическое	LiNbO3	1·10-1
10	100	силиконовая смазка	LiNbO3	<1·10-1
11	300	силиконовая смазка	BaTiO3	1·10-1
12	90	Ацетон	BaTiO3	1·10-1
13	300	Глицерин	SiO2	1,5
14	100	Глицерин	SiO2	1,5

При применении устройства, соответствующего прототипу, без использования пластин на основе пьезоэлектрических материалов происходит генерация рентгеновского излучения, направление распространения которого не воспроизводится и происходит большое расхождение пучка.

Таким образом, предлагаемое устройство значительно уменьшает разброс единичных импульсов рентгеновского излучения, так что имеет место направленность генерируемого рентгеновского излучения. Данное техническое решение позволяет: создать источник направленного импульсного рентгеновского излучения на основе нового недорогого материала из рентгеноаморфного кремнезема заданного строения.

1. Устройство для генерации направленного импульсного рентгеновского излучения, включающее рубиновый лазер с мощностью не менее 0,2 ГВт/см², излучение которого воздействует на опаловую матрицу - упорядоченную структуру из микросфер кремнезема диаметром 0,2-0,4 мкм, установленную на подложке, помещенной в контейнер с жидким азотом, отличающееся тем, что опаловая матрица изготовлена в виде образца, имеющего плоскопараллельные противоположные поверхности, которые скреплены с соответствующими пьезоэлектрическими пластинами, изготовленными из кристаллов коэффициентом электромеханической связи свыше 0,2%.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве кристаллов пьезоэлектрических пластин используют стронций-ниобат бария, ниобат лития или титанат бария.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что опаловая матрица и пьезоэлектрические пластины скреплены слоем жидкости - смазки с температурой замерзания не ниже 200 К.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что опаловая матрица и пьезоэлектрические пластины скреплены механическим зажимом с усилием меньше разрушающего опаловую матрицу.