ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ИСТОЧНИК Российский патент 2016 года по МПК H01J35/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Область техники сформулированных в этом документе вариантов осуществления изобретения относится к трибоэлектрическим рентгеновским источникам.

Уровень техники

Трибоэлектричество используют в фундаментальных научных исследованиях в качестве источника высокого электростатического потенциала более трех столетий, начиная с раннего электростатического устройства Хаукесби (Ф. Хаукесби, Физико-механические эксперименты над различными объектами (Лондон: 1709)), и до одноименных генераторов ван дер Граафа, хотя еще остается значительная нехватка основных принципов, относящихся к теме (М. Стоунхем, Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 17, 084009 (2009)). Электростатические генераторы сохраняют полученный заряд, возникающий при фрикционном контакте, когда два материала трут друг о друга. Материалы выбирают так, чтобы они были как можно дальше друг от друга в трибоэлектрическом ряду - эмпирически полученном списке, показывающем свойство материалов к накоплению заряда и полярность заряда (П.Е. Шоу, Proc. R. Soc. Lond. А 94, 16 (1917)). В точке контакта между двумя материалами электризация трением может достигать такой величины, что может вызывать ионизацию окружающего газа, создавая эффект триболюминесценции. Триболюминесценция, наблюдаемая во время удаления липкой ленты, давно привлекает научное внимание (Е.Н. Харви, Science 89, 460 (1939)) и имеет электростатический источник. Когда удаляют ленту, заряд с плотностью заряда 10¹² e*см^-2 (где e - это фундаментальный заряд электрона) оказывается на поверхности только что очищенной области и затем он разряжается (С.Г. Камара, Дж.В. Эскобар, Дж.Р. Херд и С.П. Паттерман, Nature 455, 1089 (2008)). Было установлено, что если ленту удаляют в вакууме при ~10 мТорр, то получаемая триболюминесценция доходит до энергии рентгеновского излучения (В.В. Карасев, Н.А. Кротова и Б.В. Дерягин, доклад Академии наук ССР 88 777 (1953)). Позднее (Камара и др.) было установлено, что для трибоэлектрического заряда во время удаления ленты в вакууме существует два временных масштаба: первый, общий для электростатических генераторов и классических экспериментов (В.Р. Харпер, Контактная электризация и электризация трением (Oxford University Press, Лондон, 1967)), - процесс длительного масштаба времени, который приводит к средней плотности заряда 10¹⁰ e*см^-2, сохраняющейся на поверхности ленты, и второй, наносекундный процесс с плотностями заряда 10¹² e*см^-2. В дополнение, было обнаружено, что рентгеновский разряд от удаления ленты был достаточно коллиминированным на линии очистки, чтобы разрешать детали изображения размером в пределах фаланги человеческого пальца. Испускание наносекундных импульсов рентгеновского излучения позволило вычислить оценку области излучения. Последующие исследования снятия липкой ленты шириной 1,5 мм подтвердили, что процесс имеет место при размерах менее 300 мкм (С.Г. Камара, Дж.В. Эскобар, Дж.Р. Нерд и С.П. Паттерман. Прикладная физика В 99, 613 (2010)). Этот результат обеспечил перспективу построения многоэлементных источников рентгеновского излучения, состоящих из субмиллиметровых матриц, обеспечиваемых энергией за счет трибоэлектрического эффекта.

Основываясь на этой недавней работе по трибоэлектричеству, возродился интерес к тому, как происходит передача заряда между различными материалами и, в частности, между полимерами. Особенно интересен отчет о том, как полимероподобные материалы заряжают друг друга (М.М. Аподака, П.Дж. Вессон, К.Дж.М. Бишоп, М.А. Ратнер и Б.А. Гржибовский, Angew. Chem. Int. Ed. 49, 946 (2010)). Более фундаментально, открытый вопрос заключается в том, является ли передающая частица ионом (Л. МакКати и Г.М. Уайтсайдс, Angew. Chem. Int. Ed. 47, 2188 (2008)) или электроном (Харпер, тот же) - вопрос до сих пор обсуждаемый, несмотря на столетия экспериментальных исследований. Неважно, являются ли носителями заряда, отвечающими за трибозаряд, электроны или ионы, ясно то, что быстро генерируются очень большие плотности заряда.

Для возникновения самого эффективного накопления заряда важен тесный контакт между материалами и чистота контактирующих поверхностей Р. Будакиан, К. Венингер, Р.А. Хиллер и С.П. Паттерман. 391, 266 (1998)). Несмотря на то, что геометрия снятия липкой ленты является математически элегантной (А.Д. МакЭван и Г.И. Тайлор, J. Fluid Mech. 26, 1 (1966)) и удовлетворяет обоим критериям, тем не менее, недостатком их использования для портативного устройства рентгеновского устройства, не требующего подключения высокого напряжения, является значительное обезгаживание, возникающее во время снятия имеющейся ленты в вакууме (Е. Констебл, Дж. Хорват и Р.А. Льюис, Appl. Phys. Lett. 97, 131502 (2010)). Таким образом, остается потребность в совершенствовании трибоэлектрических рентгеновских источников.

Раскрытие изобретения

Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей, по меньшей мере, с одной узкой энергетической зоной в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения включает в себя охватывающую камеру, первый контакт, скомпонованный с первой контактной поверхностью в охватывающей камере, второй контакт, скомпонованный со второй контактной поверхностью в охватывающей камере, и узел привода, функционально связанный, по меньшей мере, одним из контактов - с первым или со вторым. Узел привода имеет такую структуру, чтобы во время работы заставлять первую контактную поверхность и вторую контактную поверхность многократно соприкасаться, и отделяться после соприкосновения. Первая контактная поверхность представляет собой поверхность из первого трибоэлектрического материала, а вторая контактная поверхность - это поверхность из второго трибоэлектрического материала, причем поверхность из первого трибоэлектрического материала обладает отрицательным трибоэлектрическим потенциалом относительно поверхности из второго трибоэлектрического материала. Второй контакт включает в себя материал, содержащий в своем составе атомный элемент, у которого имеется возбужденное квантовое энергетическое состояние, и который может быть возбужден электронами, перемещающимися от первой контактной поверхности ко второй контактной поверхности, так что при переходе из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией атомный элемент испускает рентгеновские лучи, энергия которых находится, по меньшей мере, в одной узкой энергетической зоне. Охватывающая камера имеет такую конструкцию, чтобы обеспечить контроль окружающей атмосферы, воздействию которой подвержены первая и вторая контактная поверхности.

Матричный рентгеновский источник в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, предназначенный для генерации массива рентгеновских лучей, по меньшей мере, с одной узкой энергетической зоной, включает в себя множество трибоэлектрических рентгеновских источников, расположенных в виде матрицы. Каждый из множества трибоэлектрических рентгеновских источников включает в себя первый контакт, скомпонованный с первой контактной поверхностью в охватывающей камере, второй контакт, скомпонованный со второй контактной поверхностью в охватывающей камере, и узел привода, функционально связанный, по меньшей мере, одним из контактов - с первым или со вторым. Узел привода имеет такую структуру, чтобы во время работы заставлять первую контактную поверхность и вторую контактную поверхность многократно соприкасаться, и отделяться после соприкосновения. Первая контактная поверхность представляет собой поверхность из первого трибоэлектрического материала, а вторая контактная поверхность является поверхностью из второго трибоэлектрического материала. Поверхность из первого трибоэлектрического материала обладает отрицательным трибоэлектрическим потенциалом относительно поверхности из второго трибоэлектрического материала. Второй контакт включает в себя материал, содержащий в своем составе атомный элемент, у которого имеется возбужденное квантовое энергетическое состояние, и который может быть возбужден электронами, перемещающимися от первой контактной поверхности ко второй контактной поверхности, так что при переходе из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией атомный элемент испускает рентгеновские лучи, энергия которых находится, по меньшей мере, в одной узкой энергетической зоне. Охватывающая камера имеет такую конструкцию, чтобы обеспечить контроль окружающей атмосферы, воздействию которой подвержены первая и вторая контактная поверхности.

Краткое описание чертежей

Дополнительные цели и преимущества станут понятными при рассмотрении описания, чертежей и примеров. На фиг.1 показана схематическая иллюстрация рентгеновского источника в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Это устройство приводит в соприкосновение и отводит друг от друга силиконовый стержень и эпоксидную подложку. Эпоксидная подложка 106 с отпечатком цилиндрического силиконового стержня 102 с диаметром ~10 мм имеет толщину 3,5 мм. Силикон прикреплен к соленоиду 112 с помощью штифтов к тефлоновой опоре 118. Сердечник соленоида притянут двумя пружинами 114, 116 натяжения к эпоксидной подложке, которая установлена на тефлоновом блоке 120. Твердотельный детектор 122 рентгеновских лучей размещен на расстоянии 7 см от источника, под углом 65 градусов. Расстояние между 106 и 102 может принимать значения от 0 мм до 5 мм, и было установлено, что устройство может функционировать на частоте до 20 Гц.

На фиг.2 показаны спектры рентгеновского излучения устройства, приведенного на фиг.1, работающего на частоте 1 Гц, для 60 точек при использовании эпоксидной смолы с молибденом (светлый график) или серебром (затененный график) в контакте с силиконовым каучуком. Максимальное расстояние составляет 5 мм. Разрешение спектров ограничено прибором.

На фиг.3 показаны отдельные фотоны рентгеновских лучей как функция времени прибытия, когда устройство, приведенное на фиг.1 (система силикон-Ag-эпоксидная смола), функционирует на частоте 0,5 Гц, при расстоянии 5 мм и при давлении 1 мТорр. Рентгеновское излучение происходит непрерывно на всем протяжении незамкнутого цикла, причем оно обладают достаточной интенсивностью, чтобы возбудить К-линии Ag в течение > 1 с. Вставка: Спектры первых 100 мс (черные) и последних 100 мс (затененные) излученных фотонов показывают отсутствие спектральных различий на полном цикле.

На фиг.4 показаны спектры рентгеновского излучения эпоксидной смолы с содержанием Ag как функции давления для устройства, приведенного на фиг.1, функционирующего на частоте 10 Гц. Изменение давления с 1 мТорр (светлый) до 30 мТорр (затененный) приводит к изменению спектра и заметному отсутствию К-линий серебра при более высоких давлениях. Вставка: Гистограмма фотонов рентгеновских лучей, записанная в течение более 1 с при давлении 30 мТорр, показывающая временное сужение рентгеновского излучения.

На фиг.5 показан поток рентгеновского излучения при различных частотах для системы серебро-эпоксидная смола-силикон, работающей при давлении 20 мТорр. Вставка: Соотношение между короткими интервалами времени приблизительно линейное.

На фиг.6 показан рентгеновский источник в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.7 приведена фотография, показывающая устройство, изображенное на фиг.6, работающее в неоновой атмосфере при низком давлении.

На фиг.8 показана схематическая иллюстрация матричного рентгеновского источника в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.9 показана схематическая иллюстрация сектора рентгеновского источника, показанного на фиг.8, в покомпонентном виде.

На фиг.10 показан схематический вид в разрезе двух трибоэлектрических рентгеновских источников в матричном рентгеновском источнике, показанном на фиг.8.

На фиг.11A схематически показан вид в перспективе, частично с вырезом, матричного рентгеновского источника в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.11B показана схематическая иллюстрация матричного рентгеновского источника, приведенного на фиг.11A, где удалена сторона охватывающей камеры.

Подробное описание изобретения

Некоторые варианты осуществления изобретения подробно обсуждаются ниже. В описании вариантов осуществления для ясности применяют специальную терминологию. Тем не менее, не предполагается ограничивать изобретение выбранной специальной терминологией. Специалисту в соответствующей области техники понятно, что не отклоняясь от широкого понимания настоящего изобретения, можно использовать другие эквивалентные варианты осуществления и другие способы. Все источники, упомянутые где-либо в этом описании, включая разделы “Уровень техники” и “Подробное описание”, включены посредством ссылки, как если бы каждый из них был включен отдельно.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут предоставить недорогой рентгеновский источник, который не требует высоковольтного источника питания. В одном варианте осуществления два трибоэлектрических материала, многократно сводят друг с другом и разводят в вакууме, используя привод (напр., устройство, использующее пьезоэлектричество, электромеханическую силу, магнитострикцию или энергию человека для совершения движения). Один материал является катодом, который может быть, но, не ограничиваясь этим, полимером или мономером (таким как силикон, винил, латекс, каучуком на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера, тефлоном и т.д.). Второй материал является анодом и при этом представляет собой либо металл, либо, например, пластик, керамику, полимер, мономер или эпоксидную смолу, содержащую металлический материал, чтобы увеличить эффективность тормозного излучения и получить характерные линии рентгеновских лучей. Устройство может быть использовано, например, для получения рентгеновских изображений, элементного анализа и спектроскопии, и может открывать новые возможности во многих областях, где используют рентгеновские лучи.

Некоторые варианты осуществления обладают преимуществами по сравнению с системами, включающими в себя липкие ленты. Например, может быть изменена геометрия для увеличения электрического поля или для получения рентгеновского источника определенной формы; может быть уменьшено обезгаживание в вакууме; можно контролировать спектр рентгеновских лучей для получения характеристических линий элементов; контактные поверхности могут быть сконструированы так, чтобы способствовать более быстрому электрическому разряду; устройство может быть дополнительно уменьшено, а отдельные элементы могут быть расположены в виде массивов. Рентгеновским излучением можно управлять с помощью частоты контакта, состава и давления газа, температуры, контактного напряжения, шероховатости поверхности, жесткости поверхности.

Устройства в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения могут найти применение там, где используют рентгеновские лучи, и могут открыть новые рыночные сферы. Приложения могут включать в себя такие ситуации при получении медицинских изображений в случае, в которых вызывает затруднения стоимость или недостаток источника питания в отдаленных местах. Другие области применения могут включать в себя рентгеновский флюоресцентный и элементный анализ в геологии или материаловедении и т.д. Тем не менее, в широком понимании настоящее изобретение не ограничено этими конкретными примерами.

На фиг.1 показана схематическая иллюстрация рентгеновского источника 100, предназначенного для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической зоной в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Рентгеновский источник 100 содержит в охватывающей камере (не показана), первый контакт 102, скомпонованный с первой контактной поверхностью 104 в охватывающей камере, второй контакт 106, скомпонованный со второй контактной поверхностью 108 в охватывающей камере, и узел 110 привода, функционально связанный, по меньшей мере, либо с первым контактом 102, либо со вторым контактом 106. Узел 110 привода имеет такую конструкцию, чтобы во время функционирования заставлять первую контактную поверхность 104 и вторую контактную поверхность 108 многократно соприкасаться, и отделяться после соприкосновения. Первая контактная поверхность 104 представляет собой поверхность из первого трибоэлектрического материала, а вторая контактная поверхность 108 является поверхностью из второго трибоэлектрического материала. Во время функционирования рентгеновского источника поверхность первого трибоэлектрического материала обладает отрицательным трибоэлектрическим потенциалом относительно поверхности второго трибоэлектрического материала. Второй контакт 106 включает в себя материал, имеющий в своем составе атомный элемент, у которого имеется возбужденное квантовое энергетическое состояние, и который может быть возбужден электронами, перемещающимися от первой контактной поверхности 104 ко второй контактной поверхности 108. При переходе из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией атомный элемент испускает рентгеновские лучи, имеющие энергию в пределах, по меньшей мере, одной узкой энергетической зоны. Охватывающая камера имеет такую конструкцию, чтобы обеспечить регулирование окружающей атмосферы, в которой находятся первая и вторая контактные поверхности.

Термин “узкая энергетическая полоса” рентгеновского излучения относится к типу рентгеновского излучения, излучаемого при переходах между квантовыми уровнями, такими как энергетические уровни электрона атома. Подразумевается, что некоторое уширение энергетической полосы такое, как допплеровское уширение (но не ограничиваясь им, охватывается определением “узкой энергетической полосы”. Оно также может включать в себя тонкую структуру в узкой энергетической полосе, например, когда атомы, излучающие рентгеновские лучи, находятся в магнитном поле. Также, оно может включать в себя К-линии, но не ограничено ими. Также оно может включать в себя L-линии и/или линии перехода.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения атомный элемент может иметь множество возбужденных квантовых энергетических состояний, которые могут быть возбуждены электронами, переходящими с первой контактной поверхности на вторую контактную поверхность. В этом случае, при переходе из множества возбужденных квантовых энергетических состояний в состояния с более низкой энергией атомный элемент испускает рентгеновское лучи, имеющие энергию в пределах множества узких энергетических полос.

В некоторых вариантах осуществления второй контакт 106 содержит материал, имеющий в своем составе множество атомных элементов, у каждого из которых имеется возбужденное квантовое энергетическое состояние, и который может быть возбужден электронами, переходящими с первой контактной поверхности 104 на вторую контактную поверхность 108. В этом случае, при переходе из каждого соответствующего возбужденного квантового энергетического состояния в соответствующее состояние с более низкой энергией множество атомных элементов испускает рентгеновские лучи, имеющие энергию в пределах соответствующих узких энергетических полос. Другими словами, конкретный атомный элемент может обеспечить множество пригодных для некоторых приложений рентгеновских линий. В других приложениях, чтобы получить мультилинейный источник, во втором контакте 106 может быть использовано два, три, четыре или более атомных элементов.

К-линии атомных элементов возрастают приблизительно как квадрат Z-1, где Z - атомный номер. Поэтому, для тех приложений, в которых нужны более высокие узкие энергетические полосы, для включения во второй контакт 106 можно рассмотреть атомные элементы с большим атомным номером Z. Например, в некоторых приложениях может быть желательным атомный элемент, который имеет атомный номер Z, равный по меньшей мере 13. В некоторых вариантах осуществления вторым трибоэлектрическим материалом может быть материал, включающий в себя атомный элемент, который испускает узкую полосу рентгеновского излучения. Например, второй контакт 106 в некоторых вариантах осуществления может представлять собой металлический контакт. Один пример, подходящий для некоторых приложений, заключается в использовании для второго контакта 106 свинца (Pb). Тем не менее, в широком понимании настоящее изобретение не ограничено этими примерами. В других вариантах осуществления можно выбрать второй трибоэлектрический материал, исходя из его трибоэлектрических и/или других свойств, и выбрать дополнительный материал, в котором имеется атомный элемент, обеспечивающий желаемую узкую полосу рентгеновского излучения. Другие свойства материалов могут представлять собой практические свойства, такие как стоимость, безопасность, возможность производства, возможность сочетания с материалами, содержащими желаемые атомные элементы, и т.д. Например, в некоторых приложениях второй трибоэлектрический материал может представлять собой эпоксидную смолу, а материал, имеющий атомный элемент, может быть металлом. Установлено, что в некоторых вариантах осуществления подходящим для первого трибоэлектрического материала является полимер. Тем не менее, в широком понимании настоящее изобретение не ограничено этими конкретными примерами.

В некоторых вариантах осуществления первый трибоэлектрический материал и второй трибоэлектрический материал выбирают так, чтобы обеспечить плотность заряда на первой контактной поверхности по меньшей мере 10¹⁰ электронов на см^-2.

Узел 110 привода может включать в себя по меньшей мере одну электрическую, гидравлическую или пневматическую систему, предназначенную для того, чтобы многократно приводить в контакт первую контактную поверхность и вторую контактную поверхность, и отводить их друг от друга после приведения в контакт. Ниже будут более подробно описаны некоторые отдельные варианты осуществления. Тем не менее, изобретения не ограничено этими отдельными примерами.

Как было отмечено выше, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут обеспечить простой трибоэлектрический рентгеновский источник, который не использует липкую ленту. Теперь более подробно опишем отдельные варианты осуществления. Рентгеновский источник 100, показанный на фиг.1, включает в себя 12 В тянущий соленоид 112 постоянного тока и связанный с ним возбудитель, активируемый импульсами с уровнями транзисторно-транзисторной логики, выдаваемыми генератором задержки (SRS DG535). Вокруг силиконового стержня (диаметр 8 мм) сформирован цилиндр из гладкого силиконового каучука (1,6 мм толщиной; твердость по дюрометру 60А) и установлен на конце сердечника соленоида, чтобы образовать молоточек (цилиндрический, радиуса ~5 мм), чтобы обеспечить первый контакт 102. Молоточек ударяет по кусочку литой эпоксидной смолы толщиной 3,5 мм (Devcon №14270) посредством пружин 114, 116 растяжения, которые тянут сердечник из соленоида 112, так что получают контакт силикона с эпоксидной смолой. Перед установкой силикон обрабатывают ультразвуком в этиловом спирте для очистки поверхности. Чтобы гарантировать хороший контакт с эпоксидной подложкой, до того как позволить осуществить контакт с подложкой, на подложку наносят тонкую пленку эпоксидной смолы (или аналогичного состава). Оставляют сохнуть в течение 15 минут. Эпоксидная смола не приклеивается к силикону, так что при разделении силикон образует цилиндрический рельеф, слегка выступающий из подложки. У контакта имеется видимая зона контакта площадью 64±5 мм² (вторая контактная поверхность 108).

Было установлено, что, не снижая характеристик трибоэлектрического заряда эпоксидного связующего вещества, в эпоксидную смолу можно добавить порошковые элементарные металлы. В примерах ниже добавляют порошок молибдена (1 мкм - 2 мкм) и серебра (400 меш). Эпоксидные подложки одновременно отливают и взвешивают в полистироловой тарелке для взвешивания, используя эпоксидную смолу, которую подают с помощью пистолета-аппликатора и насадки смесителя. Если используют металлический наполнитель, то сначала его взвешивают, до добавления эпоксидной смолы и тщательного перемешивания с использованием деревянного смесительного аппарата.

Устройство было установлено в вакуумной камере, в которой был создан в вакуум с помощью турбомолекулярного насоса, дополненного безмасляным насосом. Вакуумметрическое давление измеряли с использованием манометра Пирани (SRS PG105) и контроллера (SRS IGC100), откалиброванного для N₂. Выпускной клапан на вакуумной камере позволяет изменять давление. Рентгеновские лучи были обнаружены с использованием твердотельного детектора рентгеновского излучения, площадь чувствительной поверхности которого составляет 25 мм², а эффективность приближается к 100% в диапазоне от 10 кэВ до 60 кэВ. Его разместили снаружи камеры за 6 мм поликарбонатным окном (без корректировки). Перед выполнением анализа выходной сигнал присоединенного к нему усилителя (Amptek PX2T-CdTe) записывали с частотой 1 млн отсчетов в сек с помощью платы сбора данных (NI PXI-1033) и сохраняли на диск. Плату сбора данных включали, используя соленоидную триггерную схему на транзисторно-транзисторной логике. Если не указано иное, время сбора всех данных, представленных в этом эксперименте, составило 60 с, а детектор располагался на расстоянии 7 см от центра источника. С использованием этого устройства проводились исследования генерации и спектров рентгеновских лучей при вакуумметрических давлениях между 10^-3 Торр и 10^-2 Торр, при интервалах от 2,5 мм до 5 мм и при частоте от 1 Гц до 20 Гц.

На фиг.2 приведены результирующие спектры рентгеновского излучения при добавлении в эпоксидную смолу серебра и молибдена, ясно показывающие характеристические К-линии молибдена K_α1 17,48 кэВ, K_β1 19,61 кэВ) и серебра (K_α1 22,16 кэВ, K_β1 24,94 кэВ). Разрешение этих линий ограничено прибором (~400 эВ), так что невозможно выделить компоненты K_α2,3, K_β2,3. Для показанного спектра серебра, в угле 2π поток излучения составил 2,43×10⁵ фотонов рентгеновского излучения в секунду. Из него 9% обладало энергией от 20,5 до 23 кэВ.

Появление К-линий из тормозного излучения является однозначной демонстрацией того, что относительно эпоксидной смолы силикон заражается отрицательно, так как эпоксидная смола с добавлением металла должна выступать в качестве мишени для электронов или в качестве анода. Хотя смещение между контактирующими поверхностями не было измерено непосредственно, исследование данных показано, что при максимальной используемой частоте (20 Гц) продолжительность излучения почти точно соответствовало времени, в течение которого силикон и эпоксидная смола были разделены; при предположении, что максимальное разделение достигалось за время меньше 25 мс. Добавление веществ, состоящих из тяжелых элементов, к эпоксидной смоле должно также увеличить вероятность и эффективность излучения. В то время как вариации эксперимента не позволили полностью исследовать это предположение, стоит отметить, что максимальный поток рентгеновского излучения, который был записан (~8×10⁵ фотонов с^-1), имел место в экспериментах, связанных с вольфрамовым наполнителем. При самых низких применяемых вакуумметрических давлениях газа (1 мТорр) было обнаружено, что рентгеновское излучение затухало за несколько секунд (фиг.3), и что отсутствовали значительные спектральные различия, кроме потери интенсивности на порядок величины (вставка на фиг.3). Наличие K_α1,β1 линий Ag на всем цикле разделения представляет собой яркую демонстрацию энергий, вовлеченных в процесс, и показывает, что после 1 с разряда все еще имеется потенциал, равный 40 кэВ. Если полагать, что максимальная кинетическая энергия электронов в поле, созданном силиконом и эпоксидной смолой, равна 40 кВ в конце каждого незамкнутого цикла, и дополнительно, что контакт может быть аппроксимирован параллельными заряженными пластинами площадью 64 мм², то итоговая плотность δ_f заряда при разделении 5 мм составляет величину 4,4×10¹⁰ e*см^-2. Для эксперимента, показанного на фиг.3, был записан поток 1,26×10⁵ фотонов рентгеновского излучения в секунду (соответствующий 2,52×10⁵ фотонам за незамкнутый цикл). Если эффективность тормозного излучения наполненной металлом эпоксидной смолы равна ~10^-4, то начальная плотность σ_i заряда составляет 4,6×10¹⁰ e*см^-2 - только немного больше, чем тот же показатель на поверхности в конце цикла.

По мере увеличения вакуумметрического давления было установлено, что можно изменить и огибающую спектра (фиг.4), и время всплеска рентгеновского излучения (вставка на фиг.4). Продолжительность рентгеновского излучения, характерная для системы при 1 мТорр (фиг.3), может быть сокращена так, что длительность импульса сужается до менее чем 10 мс. Эти всплески возникают при начальном разделении эпоксидной смолы и силикона. Было установлено, что оптимальное давление для возникновения такого сужения менялось в различных экспериментах, но обычно принимало значение от 20 до 30 мТорр. При температуре 296 K и давлении 30 мТорр (4 Н/м²) вычисленная средняя длина свободного пробега электрона составила 8 мм - тот же порядок величины, что и при разделении пластин (2,5 мм) - при предположении, что взаимодействия с молекулами газа играют в этом механизме возрастающую роль.

Была построена кривая затухания устройства, которая оказалась зависимой и от давления, и от числа циклов контакта. Несмотря на это, было установлено, что частоту циклов можно увеличить до 20 Гц, чтобы задать почти линейный масштаб, если временной масштаб между последовательными элементарными интервалами был малым. На фиг.5 показано число записанных в секунду рентгеновских фотонов при функционировании системы на частоте 1 Гц, 10 Гц и 20 Гц. Вставка на фиг.5 представляет собой график среднего числа рентгеновских фотонов за цикл контакта для последовательности частот 1 Гц, 10 Гц, 20 Гц.

В этом примере в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения был продемонстрирован простой рентгеновский источник, который использует трибоэлектрический эффект вместо высоковольтного источника питания. Во время многократного контакта эпоксидной смолы с добавлением металла и силиконового каучука происходит передача заряда, делая силикон более отрицательным, чем эпоксидная смола. Результирующий дисбаланс заряда создает электрическое поле, способное придавать избыточным электронам ускорение в направлении эпоксидной смолы, содержащей металл, генерируя сильные характеристические рентгеновские линии и тормозное излучение. Неожиданным оказалось то, что это поле сохраняется в течение относительно длительного времени. При более высоких давлениях интенсивность рентгеновского излучения изменяется линейно с частотой циклов вплоть до 20 Гц, при предположении, что единственным ограничением для получения реального устройства, дающего поток 10⁸ фотонов в секунду, является нахождение привода, который способен обеспечивать миллиметровые смещения и может функционировать с частотой, по меньшей мере 500 Гц. Для этого могут подходить биморфные пьезоэлектрические датчики.

На фиг.6 показан рентгеновский источник 200 в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Еще раз, охватывающая камера не показана для лучшего обзора внутренних структур. При использовании, рентгеновский источник 200 будет закрыт в охватывающей камере для обеспечения вакуума. Охватывающая камера может содержать участок с окном, более прозрачным для получаемых рентгеновских лучей, чем другие участки. Рентгеновский источник 200 содержит консоль 202, приводимую в действие пьезоэлектрическим преобразователем. На консоли 202 для обеспечения первого контакта имеется тонкая силиконовая мембрана 204. Эпоксидный контакт 206 содержит подмешанные металлические частицы для обеспечения второго контакта. На фиг.7 приведена фотография, демонстрирующая устройство 200 во время работы, причем в охватывающей камере обеспечена неоновая атмосфера при низком давлении, которая обеспечивает характерное красно-оранжевое сияние неонового разряда.

На фиг.8 показана схематическая иллюстрация матричного рентгеновского источника 300, предназначенного для генерации массива рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Матричный рентгеновский источник 300 включает в себя множество трибоэлектрических рентгеновских источников, таких как трибоэлектрический рентгеновский источник 302 и трибоэлектрический рентгеновский источник 304, расположенные в виде матричного массива. Для ясности, отмечено ссылочными позициями только два трибоэлектрических рентгеновских источника. Всего в матрице 300 расположено шестнадцать трибоэлектрических рентгеновских источников. Каждый из шестнадцати трибоэлектрических рентгеновских источника в матричном рентгеновском источнике 300 закрыт в отдельной охватывающей камере, которые, в свою очередь, в этом варианте осуществления соединены друг с другом. Каждый из множества трибоэлектрических рентгеновских источников включает в себя первый контакт 306, скомпонованный с первой контактной поверхностью в охватывающей камере, второй контакт 308, скомпонованный со второй контактной поверхностью в упомянутой охватывающей камере, и узел 310 привода, функционально связанный по меньшей мере одним из контактов - с первым контактом 306 или со вторым контактом 308 (см. фиг.9 и 10). Каждый из трибоэлектрических рентгеновских источников в матрице может быть изготовлен и может функционировать как в описанных выше вариантах осуществления. На фиг.9 показан вид сектора матрицы 300, показанной на фиг.8, в покомпонентном виде. На фиг.10 приведен вид в разрезе двух смежных трибоэлектрических рентгеновских источников, который обеспечивает лучшую видимость структуры охватывающих камер.

Каждый из трибоэлектрических рентгеновских источников в матричном рентгеновском источнике 300 можно представить себе по аналогии с цветным видеодисплеем. Каждый источник может обеспечить одну или несколько узких полос рентгеновского излучения выбранной энергии (или частоты), таким образом, до некоторой степени представляя собой рентгеновский “цветной” элемент излучения.

На фиг.11A и 11B показана схематическая иллюстрация матричного рентгеновского источника 400, предназначенного для генерации массива рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Матричный рентгеновский источник 400 включает в себя множество трибоэлектрических рентгеновских источников, таких как трибоэлектрический рентгеновский источник 402 и трибоэлектрический рентгеновский источник 404, расположенные в виде матричного массива. Этот вариант осуществления аналогичен варианту осуществления, показанному на фиг.8-10, за исключением того, что все множество трибоэлектрических рентгеновских источников заключено в общей охватывающей камере.

Показанные и описанные в этом документе варианты осуществления предназначены только для того, чтобы сообщить специалистам в области техники, как изготовить и использовать изобретение. В описании вариантов осуществления специальную терминологию применяют для ясности. Тем не менее, не предполагается ограничивать изобретение выбранной специальной терминологией. Как понятно специалистам в области техники в свете вышеизложенного, описанные выше варианты осуществления изобретения могут быть модифицированы или изменены, не отклоняясь от изобретения. Поэтому надо понимать, что, в рамках объема формулы изобретения и ее эквивалентов изобретение можно применять на практике не так, как описано в этом документе.

Изобретение относится к области рентгеновской техники. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой содержит охватывающую камеру, первый контакт, скомпонованный с первой контактной поверхностью в охватывающей камере, второй контакт, скомпонованный со второй контактной поверхностью в охватывающей камере, и узел привода, функционально связанный с первым и/или со вторым контактом. Узел привода имеет такую структуру, чтобы во время работы обеспечивать многократно приведение в контакт первой контактной поверхности и второй контактной поверхности, и разделение их после соприкосновения. Первая контактная поверхность представляет собой поверхность первого трибоэлектрического материала, а вторая контактная поверхность представляет собой поверхность второго трибоэлектрического материала, причем поверхность первого трибоэлектрического материала обладает отрицательным трибоэлектрическим потенциалом относительно поверхности второго трибоэлектрического материала. Второй контакт содержит материал, который в своем составе содержит атомный элемент, у которого имеется возбужденное квантовое энергетическое состояние и который может быть возбужден электронами, переходящими из первой контактной поверхности ко второй контактной поверхности, так что при переходе из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией атомный элемент излучает рентгеновские лучи, энергия которых находится по меньшей мере в одной узкой энергетической полосе. Охватывающая камера имеет такую конструкцию, чтобы обеспечить регулирование окружающей атмосферы, в которой размещены первая и вторая контактные поверхности. Технический результат - упрощение рентгеновского источника. 2 н.и 25 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой, содержащий:
охватывающую камеру;
первый контакт, скомпонованный с первой контактной поверхностью в охватывающей камере;
второй контакт, скомпонованный со второй контактной поверхностью в охватывающей камере; и
узел привода, функционально связанный с первым и/или со вторым контактом,
причем узел привода имеет такую структуру, чтобы во время работы многократно приводить в контакт первую контактную поверхность и вторую контактную поверхность, и разделять их после соприкосновения,
при этом первая контактная поверхность представляет собой поверхность первого трибоэлектрического материала, а вторая контактная поверхность представляет собой поверхность второго трибоэлектрического материала, причем поверхность первого трибоэлектрического материала обладает отрицательным трибоэлектрическим потенциалом относительно поверхности второго трибоэлектрического материала,
указанный второй контакт содержит материал, имеющий в своем составе атомный элемент, у которого имеется возбужденное квантовое энергетическое состояние и который способен возбуждаться электронами, переходящими из первой контактной поверхности на вторую контактную поверхность,
при переходе из указанного возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией указанный атомный элемент испускает рентгеновские лучи, имеющие энергию в пределах указанной по меньшей мере одной узкой энергетической полосы, и
охватывающая камера выполнена с возможностью обеспечить регулирование окружающей атмосферы, в которой находятся первая и вторая контактные поверхности.

2. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой по п.1, в котором указанный атомный элемент имеет множество возбужденных квантовых энергетических состояний, которые способны возбуждаться электронами, переходящими с первой контактной поверхности ко второй контактной поверхности,
причем при переходе из указанного множества возбужденных квантовых энергетических состояний в состояния с более низкой энергией атомный элемент испускает рентгеновское лучи, имеющие энергию в пределах множества узких энергетических полос.

3. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой по п.1, в котором указанный второй контакт содержит материал, содержащий множество атомных элементов, каждый из которых имеет возбужденное квантовое энергетическое состояние, которое может быть возбуждено электронами, переходящими с первой контактной поверхности ко второй контактной поверхности,
причем при переходе из каждого соответствующего возбужденного квантового энергетического состояния в соответствующее состояние с более низкой энергией указанное множество атомных элементов испускает рентгеновское лучи, имеющие энергию в пределах соответствующих узких энергетических полос.

4. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой по п.1, в котором атомный элемент имеет атомный номер Z, равный по меньшей мере 13.

5. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой по п.1, в котором материал, содержащий указанный атомный элемент, представляет собой указанный второй трибоэлектрический материал.

6. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой по п.1, в котором указанные второй трибоэлектрический материал и материал, содержащий атомный элемент, являются различными материалами, образующими по меньшей мере один из следующих материалов: смесь, сплав, составную или слоеную структуру из указанных материалов.

7. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой по п.6, в котором второй трибоэлектрический материал является эпоксидной смолой, а материал, содержащий атомный элемент, является металлом.

8. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой по п.7, в котором первый трибоэлектрический материал является полимером.

9. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой по п.6, в котором первый трибоэлектрический материал и второй трибоэлектрический материал выбраны так, чтобы обеспечить плотность заряда на первой контактной поверхности по меньшей мере 10¹⁰ электронов на см².

10. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой по п.1, в котором узел привода содержит по меньшей мере одну из следующих систем: электрическую, гидравлическую, пневматическую систему, предназначенную для того, чтобы многократно приводить в контакт первую контактную поверхность и вторую контактную поверхность, и разделять их после контакта.

11. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой по п.1, в котором узел привода содержит соленоид, обеспечивающий возможность многократного приведения в контакт первой контактной поверхности и второй контактной поверхности и разделения их после приведения в контакт.

12. Рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой по п.1, в котором узел привода содержит пьезоэлектрический привод, соединенный с консолью, причем консоль содержит первый трибоэлектрический материал или второй трибоэлектрический материал.

13. Матричный рентгеновский источник для генерации рентгеновских лучей по меньшей мере с одной узкой энергетической полосой, содержащий множество трибоэлектрических рентгеновских источников, расположенных в виде матрицы, причем каждый из множества трибоэлектрических рентгеновских источников содержит:
первый контакт, скомпонованный с первой контактной поверхностью в охватывающей камере;
второй контакт, скомпонованный со второй контактной поверхностью в охватывающей камере; и
узел привода, функционально связанный с первым и/или со вторым контактом,
причем узел привода имеет такую структуру, чтобы во время работы многократно приводить в контакт первую контактную поверхность и вторую контактную поверхность, и разделять их после соприкосновения,
при этом первая контактная поверхность представляет собой поверхность первого трибоэлектрического материала, а вторая контактная поверхность представляет собой поверхность второго трибоэлектрического материала, причем поверхность первого трибоэлектрического материала обладает отрицательным трибоэлектрическим потенциалом относительно поверхности второго трибоэлектрического материала,
указанный второй контакт содержит материал, имеющий в своем составе атомный элемент, у которого имеется возбужденное квантовое энергетическое состояние и который способен возбуждаться электронами, переходящими из первой контактной поверхности ко второй контактной поверхности,
при переходе из указанного возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией указанный атомный элемент испускает рентгеновские лучи, имеющие энергию в пределах указанной по меньшей мере одной узкой энергетической полосы, и
охватывающая камера выполнена с возможностью обеспечить регулирование окружающей атмосферы, в которой находятся первая и вторая контактные поверхности.

14. Матричный рентгеновский источник по п.13, в котором по меньшей мере два из указанного множества трибоэлектрических рентгеновских источников обеспечивают различные узкие энергетические полосы рентгеновского излучения.

15. Матричный рентгеновский источник по п.13, дополнительно содержащий охватывающую камеру для размещения в ней всех из указанного множества трибоэлектрических рентгеновских источников.

16. Матричный рентгеновский источник по п.13, дополнительно содержащий множество охватывающих камер для размещения каждого из множества трибоэлектрических рентгеновских источников в соответствующей охватывающей камере.

17. Матричный рентгеновский источник по п.13, в котором указанный атомный элемент имеет множество возбужденных квантовых энергетических состояний, которые могут быть возбуждены электронами, переходящими из первой контактной поверхности ко второй контактной поверхности,
причем при переходе из указанного множества возбужденных квантовых энергетических состояний в состояния с более низкой энергией атомный элемент испускает рентгеновское лучи, имеющие энергию в пределах множества узких энергетических полос.

18. Матричный рентгеновский источник по п.13, в котором указанный второй контакт содержит материал, содержащий множество атомных элементов, каждый из которых имеет возбужденное квантовое энергетическое состояние, которое может быть возбуждено электронами, переходящими из первой контактной поверхности ко второй контактной поверхности,
причем при переходе из каждого соответствующего возбужденного квантового энергетического состояния в соответствующее состояние с более низкой энергией указанное множество атомных элементов испускает рентгеновское лучи, имеющие энергию в пределах соответствующих узких энергетических полос.

19. Матричный рентгеновский источник по п.13, в котором атомный элемент имеет атомный номер Z, равный по меньшей мере 13.

20. Матричный рентгеновский источник по п.13, в котором указанный материал, содержащий атомный элемент, представляет собой указанный второй трибоэлектрический материал.

21. Матричный рентгеновский источник по п.13, в котором второй трибоэлектрический материал и материал, содержащий атомный элемент, являются различными материалами, образующими по меньшей мере один из следующих материалов: смесь, сплав, составную или слоеную структуру из указанных материалов.

22. Матричный рентгеновский источник по п.21, в котором второй трибоэлектрический материал является эпоксидной смолой, а материал, содержащий атомный элемент, является металлом.

23. Матричный рентгеновский источник по п.22, в котором первый трибоэлектрический материал является полимером.

24. Матричный рентгеновский источник по п.21, в котором первый трибоэлектрический материал и второй трибоэлектрический материал выбраны так, чтобы обеспечить плотность заряда на первой контактной поверхности по меньшей мере 10¹⁰ электронов на см².

25. Матричный рентгеновский источник по п.13, в котором узел привода содержит по меньшей мере одну из следующих систем: электрическую, гидравлическую, пневматическую систему, обеспечивающую возможность многократно приводить в контакт первую контактную поверхность и вторую контактную поверхность, и разделять их после приведения в контакт.

26. Матричный рентгеновский источник по п.13, в котором узел привода содержит соленоид, обеспечивающий возможность многократно приводить в контакт первую контактную поверхность и вторую контактную поверхность и разделять их после приведения в контакт.

27. Матричный рентгеновский источник по п.13, в котором узел привода содержит пьезоэлектрический привод, соединенный с консолью, причем консоль содержит первый трибоэлектрический материал или второй трибоэлектрический материал.