СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНТАКТНОЙ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК H05G1/02 H01J35/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Заявляемые варианты настоящего изобретения относятся к трибоэлектрическим источникам рентгеновского излучения и системам с такими источниками.

Уровень техники

Трибоэлектрический эффект (электризация трением) использовался в фундаментальных научных исследованиях в качестве источника высокого электростатического потенциала более трех столетий от одного из первых электростатических устройств Хоксби (Ф. Хоксби, Физико-механические эксперименты с различными предметами (Лондон: 1709) (F. Haukesbee, Physico-Mechanical experiments on various subjects (London: 1709))) до генераторов Ван де Граафа, которым присвоено его имя, однако все еще наблюдается примечательное отсутствие неэмпирического подхода к этому предмету (М. Стоунхем, Моделирование в материаловедении, англ. 17, 084009 (2209) (М. Stoneham, Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 17, 084009 (2009))). Электростатические генераторы сохраняют накопленный заряд, образующийся, когда два материала трутся один по другому, будучи во фрикционном контакте один с другим. Эти материалы выбирают так, чтобы они максимально далеко отстояли один от другого в трибоэлектрическом ряду - эмпирически составленном списке, показывающем как склонность материалов к электризации трением, так и полярность приобретаемого заряда (Р.Е. Shaw, Proc. R. Soc. Lond. A 94, 16 (1917)). В точке контакта между двумя материалами электризация трением может достигать такого уровня, когда она способна привести к ионизации окружающего газа, вызывая триболюминесценцию. Триболюминесценция, наблюдаемая при отрыве клейкой ленты с чувствительным к давлению клеем (pressure sensitive adhesive (PSA)), уже в течение продолжительного времени привлекает внимание ученых (Е.N. Harvey, Science 89, 460 (1939)) и имеет электростатическую природу. Когда ленту отрывают, во вновь открывшейся области возникает электростатический заряд с поверхностной плотностью порядка 10¹² е см^-2 (здесь е обозначает фундаментальную константу - заряд электрона) и затем происходит разряд этого заряда (С.G. Camara, J.V. Escobar, J.R. Hird and S.P. Putterman, Nature 455, 1089 (2008)). Оказалось, что если отрывать ленту в вакууме при давлении порядка 10 мТорр спектр триболюминесценции простирается до рентгеновской области спектра (V.V. Karasev, N.A. Krotova and B.W. Deryagin, Dokl. Akad. Nauk. SSR 88 777 (1953)). Позднее (Camara, et al., id.) было обнаружено, что есть два масштаба времени для эффекта электризации трением во время отрыва ленты в вакууме: первый, общий для электростатических генераторов и классических экспериментов в области электростатики (У.Р. Харпер Электризация при контакте и трении, (Оксфорд Юниверсити Пресс, Лондон, 1967) (W.R. Harper, Contact and frictional electrification, (Oxford University Press, London, 1967))) относится к долговременным процессам, в результате которых на поверхности ленты сохраняется средняя плотность заряда 10¹⁰ е см^-2, и второй - для наносекундного процесса с плотностями заряда порядка 10¹² е см^-2. Кроме того, было обнаружено, что рентгеновское излучение, генерируемое при электростатическом разряде, в достаточной степени самоколлимировано по линии отрыва, что обеспечить разрешение между фалангами человеческого пальца при рентгеновской съемке. Излучение наносекундных рентгеновских импульсов позволяет рассчитать оценки области излучения. Последующие исследования эффектов при отрыве ленты с PSA шириной 1,5 мм подтвердили, что указанный процесс имеет место при размерах меньше 300 мкм (С.G. Camara, J.V. Escobar, J.R. Hird and S.P. Putterman, Appl. Phys. В 99, 613 (2010)).

Стимулом для этой недавней работы по трибоэлектричеству послужило возрождение интереса к тому, как происходит перенос электрического заряда между различными материалами и в частности между полимерами. Особенно интригующим является отчет о том, как похожие полимеры заряжают один другого (М.М. Apodaca, P.J. Wesson, К.J.М. Bishop, M.A. Ratner and В.A. Grzybowski, Angew. Chem. Int. Ed. 49, 946 (2010)). Более фундаментально, открытым остается вопрос о том, является ли частицей-переносчиком заряда ион (L. McCathy and G.М. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 47, 2188 (2008)) или электрон (Harper, id.) - проблема, которая дебатируется до сих пор, несмотря на продолжающиеся уже несколько столетий экспериментальные исследования. Какие бы заряженные частицы - электроны или ионы, не отвечали за образование и накопление заряда при электризации трением, совершенно ясно, что при этом можно легко получить очень большие плотности заряда.

Для достижения наиболее эффективного образования и накопления заряда важную роль играют наличие тесного контакта между материалами и чистота контактирующих поверхностей (R. Budakian, K. Weninger, R.A. Hiller and S.P. Putterman, Nature 391, 266 (1998)). Хотя геометрия отрыва ленты с клеем PSA математически элегантна (A.D. McEwan and G.I. Taylor, J. Fluid Mech. 26, 1 (1966)) и отвечает обоим критериям, недостатком использования отрыва ленты для создания портативного рентгеновского устройства, не требующего источника высокого напряжения, является, однако значительное выделение газа, происходящее при отрыве обычной общедоступной ленты в вакууме (Е. Constable, J. Horvat and R.A. Lewis, Appl. Phys. Lett. 97, 131502 (2010)), равно как и ряд практических проблем, таких как надежность, износ и т.п. Таким образом, по-прежнему остается потребность в создании усовершенствованных источников рентгеновского излучения и систем с такими источниками.

Раскрытие изобретения

Источник рентгеновского излучения согласно одному из вариантов настоящего изобретения содержит ограничивающий корпус, первый валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса, второй валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса и имеющий контакт качения с первым валиком, и приводной узел, соединенный по меньшей мере с одним из этих первого и второго валиков. Приводной узел вызывает вращение находящихся внутри ограничивающего корпуса первого и второго валиков и приводит эти первый и второй валики в контакт один с другим, а также выводит их из контакта, когда указанные первый и второй валики вращаются. Поверхность первого валика по меньшей мере частично выполнена из первого трибоэлектрического материала, а поверхность второго валика по меньшей мере частично выполнена из второго трибоэлектрического материала, так что первый трибоэлектрический материал имеет отрицательный трибоэлектрический потенциал относительно второго трибоэлектрического материала. Ограничивающий корпус сконструирован таким образом, чтобы создать внутри среду с управляемой атмосферой, при этом первый трибоэлектрический материал, второй трибоэлектрический материала и среду с управляемой атмосферой выбирают таким образом, чтобы контакт качения между первым и вторым валиками генерировал рентгеновское излучение.

Система для получения рентгеновского изображения согласно одному из вариантов настоящего изобретения содержит источник рентгеновского излучения и детектор рентгеновского излучения. Рентгеновский источник содержит ограничивающий корпус, первый валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса, второй валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса и имеющий контакт качения с первым валиком, и приводной узел, соединенный по меньшей мере с одним из этих первого и второго валиков. Приводной узел вызывает вращение находящихся внутри ограничивающего корпуса первого и второго валиков и приводит эти первый и второй валики в контакт один с другим, а также выводит их из контакта, когда указанные первый и второй валики вращаются. Поверхность первого валика по меньшей мере частично выполнена из первого трибоэлектрического материала, а поверхность второго валика по меньшей мере частично выполнена из второго трибоэлектрического материала, так что первый трибоэлектрический материал имеет отрицательный трибоэлектрический потенциал относительно второго трибоэлектрического материала. Ограничивающий корпус сконструирован таким образом, чтобы создать внутри среду с управляемой атмосферой, при этом первый трибоэлектрический материал, второй трибоэлектрический материала и среду с управляемой атмосферой выбирают таким образом, чтобы контакт качения между первым и вторым валиками генерировал рентгеновское излучение.

Краткое описание чертежей

Другие цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из рассмотрения настоящего описания, чертежей и примеров.

Фиг.1 представляет схематичную иллюстрацию источника рентгеновского излучения с частично удаленным ограничивающим корпусом согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.2А представляет схематичную иллюстрацию вида сбоку источника рентгеновского излучения с частично удаленным ограничивающим корпусом согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.2B представляет схематичную иллюстрацию вида сверху источника рентгеновского излучения с частично удаленным ограничивающим корпусом согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.3 представляет схематичную иллюстрацию увеличенного изображения области контакта между двумя валиками в помощь разъяснению некоторых принципов настоящего изобретения.

Фиг.4 представляет схематичную иллюстрацию источника рентгеновского излучения согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.5 представляет схематичную иллюстрацию источника рентгеновского излучения согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.6 представляет схематичную иллюстрацию источника рентгеновского излучения согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.6А представляет схематичную иллюстрацию рентгеновской системы согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.7 показывает пример рентгеновского излучения от валиков шириной 2 см, приведенных в контакт посредством пружин, работающих на растяжение, и вращаемых со скоростью 300 об/мин при давлении внутри ограничивающего корпуса 1×10^-3 Торр. Один валик может быть покрыт свинцовой лентой, а другой - слоем иной ленты (обработанный полиэтилен).

Фиг.8 показывает пример потока рентгеновского излучения в функции скорости вращения для различных систем. Черные квадратики представляют сводку результатов, опубликованных нами ранее, для отрыва клейкой ленты (скотч) от поверхности. Figure 2 Nature Supplementary представляет интегральный поток, использованный для получения ранее опубликованных рентгеновских изображений и генерируемый путем отрыва от поверхности ленты шириной 2 см со скоростью 20 см/с. Figure 2 Nature представляет интегральный поток, генерируемый при отрыве ленты шириной 2 см от поверхности со скоростью 3,6 см/с. Figure 3 АРВ представляет поток, генерируемый при отрыве ленты шириной 1,5 мм от поверхности со скоростью 3,6 см/с. Ромбики представляют данные для случая отрыва клейкой ленты шириной 2 см от поверхности, показывающие, что характеристики системы линейно зависят от скорости вращения. Точки представляют данные для свинцового валика, контактирующего с ленточной подложкой (обработанный полиэтилен). Врезка показывает средние значения для репрезентативных скоростей.

Фиг.9 показывает пример спектра рентгеновского излучения от контактирующих валиков при давлении внутри ограничивающего корпуса 5×10^-5 Торр и касательной скорости 3 см/с. Верхняя зависимость представляет собой спектр излучения, генерируемого при контакте свинцового валика с ленточной подложкой (обработанный полиэтилен). Нижняя зависимость соответствует валику, покрытому клейкой лентой (скотчем) липкой стороной наружу, в контакте с ленточной подложкой.

Фиг.10 показывает пример ширины импульсов рентгеновского излучения, генерируемых свинцовым валиком шириной 3 мм, вращающимся в контакте с полиэтиленовым валиком со скоростью 3 см/с. Два жидких сцинтиллятора, соединенных с 5-футовыми фотоэлектронными умножителями (ФЭУ (5' РМТ)), использовались в качестве детекторов рентгеновских импульсов с энергиями свыше 50 кэВ, показанных в виде гистограмм. Сигналы ФЭУ были зарегистрированы и затем подогнаны к гауссовской кривой для определения ширины импульсов. Врезка показывает корреляцию между двумя детекторами, указывая, что рентгеновские импульсы действительно были измерены. Узкая зависимость справа представляет гистограмму распределения ширины импульсов космических лучей, показывая, что характеристические сигналы имеют ширину 5 не.

Фиг.11 показывает спектр рентгеновского излучения пары валиков шириной 2 см, контактирующих один с другим в среде с давлением 1×10^-4 Торр при тангенциальной скорости 3 см/с. Верхняя зависимость представляет спектр излучения свинцового валика в контакте с ленточной подложкой (обработанный полиэтилен). Нижняя зависимость представляет спектр излучения валика из молибдена в контакте с ленточной подложкой. Можно легко различить характеристические линии L от свинца и линии K от молибдена.

Фиг.12А и 12B представляют пример рентгеновского изображения, полученного с использованием вращающихся контактирующих один с другим валиков шириной 1 см из свинца и полимерного материала. На фиг.12А показан объект, помещенный на окно над источником излучения. На фиг.12B показано рентгеновское изображение объекта, полученное при скорости вращения 200 об/мин и при экспозиции 30 с.

Фиг.13 показывает примеры рентгеновских изображения лезвия из нержавеющей стали толщиной 250 мкм под углом 0, 45 и 90 градусов согласно одному из вариантов настоящего изобретения 2 см от детектора и 8 см от вершины. В случае угла 0 градусов лезвие проецируется прямо в вершину. Валики шириной 1 см вращались со скоростью 30 об/мин и время экспозиции составило 30 с. Такие изображения можно использовать для топографической реконструкции.

Фиг.14 показывает пример рентгеновского изображения висячего замка и изображение объекта поверх цифрового рентгеновского детектора типа Rad-Icon RadEye200. Детектор имеет активную область размером 10×10 см и разрешение пикселов 100 мкм. Разрешение изображения примерно 1/4 мм.

Фиг.15 показывает примеры рентгеновских изображений руки и сломанного куриного окорочка согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Некоторые варианты настоящего изобретения подробно объясняются ниже. При описании вариантов для ясности используется специальная терминология. Однако настоящее изобретение не следует ограничивать выбранной специальной терминологией. Специалисты в соответствующей области должны понять, что можно использовать и другие эквивалентные компоненты, равно как и другие разработанные способы, не отклоняясь от широкого смысла настоящего изобретения. Все ссылки, встречающиеся, где бы то ни было в настоящем описании, и в том числе в разделах Предпосылки к созданию изобретения и осуществления изобретения, входят сюда так, как если бы каждая из них была включена сюда индивидуально.

Некоторые варианты настоящего изобретения относятся к устройству и способу генерации коллимированного рентгеновского излучения без использования высоковольтного источника питания. Рентгеновский источник согласно одному из вариантов настоящего изобретения не требует высоковольтной электроники и может получать энергию от любого источника механического движения. Мы показали, что простое приведение двух материалов в движение в контакте одного с другим позволяет генерировать поток рентгеновского излучения, пригодный для получения рентгеновского изображения. Геометрию контакта можно использовать для коллимирования. Мы продемонстрировали прямолинейный рентгеновский источник, который в сочетании с прямолинейным рентгеновским детектором позволяет создать простой способ получения рентгеновского изображения. Некоторые варианты настоящего изобретения позволяют создать сверхпортативные источники рентгеновского излучения, не требующего электрической сети. Предыдущие работы авторов настоящего изобретения можно найти в Заявке WO/2009/102784 МЕХАНОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ГЕНЕРАТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (MECHANOLUMINESCENT X-RAY GENERATOR), все содержание которой включены сюда посредством ссылки. (См. также статьи в журналах Nature v455 1089-1092 (2008) и Appl. Phys. v99 613-617 (2010), все содержание которых включены сюда посредством ссылки.)

Такой рентгеновский источник не требует высоковольтной электроники и может получать энергию от простого и прямого механического движения. Рентгеновское излучение в паре контактирующих вращающихся валиков исходит из небольшой области, близкой к вершине, протяженной по всей длине контакта. В результате образован линейный источник рентгеновского излучения. Это уникальное свойство, отличающее такой источник от всей современной технологии.

Некоторые варианты настоящего изобретения относятся к системам и способам реализации движения различных материалов в контакте одного с другим в управляемой среде в качестве источника рентгеновского излучения, которое может быть коллимировано и может быть узким во времени и по распределению энергии. Простейший вариант настоящего изобретения содержит два валика из различных материалов, вращающихся так, что между ними имеет место трение контакта, в условиях частичного вакуума, как показано на фиг.1. Такая конфигурация может быть использована для генерации потока рентгеновского излучения, пригодного для получения рентгеновских изображений. Рентгеновское излучение может происходить как непрерывно, так и в виде наносекундных импульсов из области, близкой к вершине, протяженной по длине контакта.

Кроме того, изменение усилия, с которым две или более вращающихся поверхностей приведены в контакт одни с другими, оказывает значительное влияние на генерацию рентгеновского излучения, поскольку изменение усилия сжатия поверхностей ведет к изменению условий переноса заряда. Кроме того, частичное вращение и изменение направления вращения также могут быть полезными для некоторых аспектов настоящего изобретения. Например, две поверхности, одна из которых катится по другой на несколько градусов по часовой стрелке, могут затем изменить направление вращения, так что эта поверхность теперь катится по другой против часовой стрелке, после чего в одном из вариантов изобретения они могут осциллировать таким образом одна относительно другой. Общие принципы настоящего изобретения не ограничиваются только использованием цилиндрических валиков в контакте с другими цилиндрическими валиками. В некоторых вариантах настоящего изобретения можно использовать формы, отличные от цилиндрической. В некоторых вариантах одна из поверхностей может быть, например, плоской, а другая поверхность может представлять собой поверхность валика, катящегося вперед и назад по плоской поверхности. В широком смысле принципы настоящего изобретения не ограничиваются этими конкретными примерами.

На фиг.1 представлено схематичное изображение источника 100 рентгеновского излучения согласно одному из вариантов настоящего изобретения. Этот рентгеновский источник 100 показан на фиг.1 в частично собранном виде, чтобы можно было видеть внутреннюю структуру. Рентгеновский источник 100 содержит ограничивающий корпус 102, нижняя половина которого показана на фиг.1; первый валик 104, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса 102; второй валик 106, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса 102 и находящийся в контакте качения с первым валиком 104; и приводной узел 108 (Фиг.2А), связанный по меньшей мере с одним из валиков - первым валиком 104 и/или вторым валиком 106. Приводной узел 108 вызывает вращение первого и второго валиков 104, 106 в контакте одного с другим, чтобы приводить участки первого и второго валиков 104, 106 в контакт один с другим и выводить их из контакта внутри ограничивающего корпуса 102 в процессе вращения этих первого и второго валиков 104, 106. Первый валик 104 имеет поверхность, по меньшей мере частично выполненную из первого трибоэлектрического материала, и второй валик имеет поверхность, по меньшей мере частично выполненную из второго трибоэлектрического материала. Однако общие принципы настоящего изобретения не ограничиваются вариантами, показанными на фиг.1-3. В других вариантах порядок материалов может быть обратным. Конструкция ограничивающего корпуса 102 позволяет создать внутри него среду с управляемой атмосферой (см. также Фиг.4-6). Первый трибоэлектрический материал, второй трибоэлектрический материал и среду с управляемой атмосферой выбирают таким образом, чтобы контакт качения между первым и вторым валиками 104, 106 генерировал рентгеновское излучение.

Ограничивающий корпус 102 рентгеновского источника 100 имеет рентгеновское окно 110, относительно прозрачное для рентгеновского излучения 112 по сравнению с остальными частями ограничивающего корпуса 102. Другими словами, ограничивающий корпус 102 создает экран, по существу блокирующий выход рентгеновского излучения за пределы ограничивающего корпуса 102 везде, кроме окна 110. Этот ограничивающий корпус, включая окно 110, сохраняет внутри вакуум, так что давление газа внутри ограничивающего корпуса 102 ниже атмосферного давления сразу же вне ограничивающего корпуса 102. В одном из вариантов настоящего изобретения конструкция ограничивающего корпуса 102 позволяет сохранять внутри вакуум с давлением ниже 10^-1 Торр. В одном из вариантов настоящего изобретения конструкция ограничивающего корпуса 102 позволяет поддерживать в нем вакуум с давлением выше 10^-9 Торр, но ниже 10^-3 Торр.

В другом варианте по меньшей мере один из валиков - первый валик 104 и/или второй валик 106, имеет по меньшей мере две области поверхности, выполненные из разных трибоэлектрических материалов, так что при контакте качения между первым и вторым валиками 104, 106 происходит генерация по меньшей мере двух разных спектров рентгеновского излучения. Как можно легко понять, различные варианты настоящего изобретения могут содержать валики, покрытые одним, двумя, тремя или более типами трибоэлектрических материалов, которые могут быть нанесены в виде заданных пространственных картин, чтобы изменять тип спектра рентгеновского излучения, генерируемого рентгеновским источником 100. Кроме того, могут быть также включены атомы одного или нескольких выбранных элементов, имеющих нужные возбужденные состояния для усиления узкополосного рентгеновского излучения. (См. также международную Заявку на выдачу патента PCT/US 2012/0285 81, 9 марта 2012 г., поданную теми же правоприобретателями, какие являются правоприобретателями настоящей Заявки, все содержание которой включено сюда посредством ссылки.)

В одном из вариантов настоящего изобретения приводной узел 108 может содержать электродвигатель. В некоторых вариантах рентгеновский источник 100 может дополнительно содержать компонент, способный сохранять электрическую энергию, в состав которого может входить аккумулятор, конденсатор или суперконденсатор. Например, аккумуляторы могут быть расположены в ручке 114. В некоторых вариантах рентгеновский источник 100 может дополнительно содержать фотогальванический элемент. В других вариантах рентгеновский источник 100 может содержать приводимое в действие рукой зарядное устройство. В некоторых вариантах приводной узел может содержать приводимый в действие рукой механизм (не показанный на чертежах). Он может иметь, например, приводную ручку. Такой приводимый в действие рукой механизм может быть использован вместо или в дополнение к электродвигателю.

Другие варианты настоящего изобретения могут содержать три, четыре или более валиков. Например, эти три, четыре или более валиков могут быть расположены бок о бок, так что приведение в движение по меньшей мере одного из валиков может заставить остальные валики вращаться за счет фрикционного контакта. Это можно рассматривать в качестве последовательной связи валиков. В качестве альтернативы или в дополнение к этому другие варианты настоящего изобретения могут содержать отдельные пары или последовательные цепочки валиков. Например, одна пара валиков может быть расположена после другой пары валиков, причем каждую пару валиков приводят в движение независимо от другой пары. Это можно рассматривать как параллельное расположение валиков. Каждый валик, находящийся в контакте с соседним валиком может быть построен для генерации рентгеновского излучения в области контакта между валиками. Поэтому, в одном из вариантов, где имеется только одна пара валиков, рентгеновский источник 100 представляет собой линейный источник рентгеновского излучения. Если валиков больше двух, рентгеновский источник может представлять собой сочетание нескольких линейных источников рентгеновского излучения или многолинейный источник. В некоторых вариантах несколько валиков могут образовать эффективно плоский рентгеновский источник.

Импульсы рентгеновского излучения можно генерировать, когда давление внутри ограничивающего корпуса ниже 10^-3 Торр, а в качестве контактирующих материалов использованы металл и полимерный диэлектрик. Кроме того, было обнаружено, что для генерации рентгеновских импульсов вполне подходит область контакта размером 1 мм. Рентгеновские импульсы могут иметь длительность порядка десятков наносекунд, например.

Поскольку рентгеновский источник 100 может представлять линейный или многолинейный рентгеновского излучения, система для получения рентгеновских изображений может обеспечить линейный детектор, соответствующий линейному источнику согласно некоторым вариантам настоящего изобретения (см, Фиг.6А).

Далее приведены несколько примеров, чтобы содействовать дополнительному разъяснению принципов настоящего изобретения. В широком смысле принципы настоящего изобретения не ограниваются конкретными примерами.

Примеры

В одном из вариантов для обмена и сохранения заряда после контакта выбрали два валика из разных материалов. Их можно прижать для контакта один к другому с помощью источника внешней силы, такого как, не ограничиваясь, пружины. Источник механического движения, такой как, не ограничиваясь, электродвигатель, создает относительное перемещение этих поверхностей. Конкретный пример такого варианта содержит валик с металлической поверхностью, контактирующий с полимерным валиком. Рентгеновское излучение от такой системы, вращающейся в ограничивающем корпусе, где поддерживают давление воздуха 1×10^-3 Торр, показано на фиг.7.

Потоком рентгеновского излучения от контактирующих вращающихся валиков можно, согласно одному из вариантов настоящего изобретения, управлять с помощью скорости вращения (Фиг.8), поскольку этот поток пропорционален скорости вращения вплоть до тангенциальной скорости 80 см/с (см. врезку на фиг.8). Эта скорость соответствует скорости вращения 200 об/мин. В общем случае поток рентгеновского излучения пропорционален площади материала, входящей в контакт и выходящей из контакта за секунду. Для сравнения с результатами нашей предыдущей работы на фиг.8 приведена также компиляция данных из журналов Nature 455, October 23, 2008 и Applied Physics В 99, 2010.

На фиг.8 показана зависимость потока рентгеновского излучения в функции скорости вращения для различных систем. Черные квадратики представляют сводку результатов, опубликованных нами ранее, для отрыва клейкой ленты (скотч) от поверхности. Figure Nature Supplementary представляет интегральный поток, использованный для получения ранее опубликованных рентгеновских изображений и генерируемый путем отрыва от поверхности ленты шириной 2 см со скоростью 20 см/с. Figure 2 Nature представляет интегральный поток, генерируемый при отрыве ленты шириной 2 см от поверхности со скоростью 3,6 см/с. Figure 3 АРВ представляет поток, генерируемый при отрыве ленты шириной 1,5 мм от поверхности со скоростью 3,6 см/с. Ромбики представляют данные для случая отрыва клейкой ленты шириной 2 см от поверхности, показывающие, что характеристики системы линейно зависят от скорости вращения. Красные точки представляют данные для свинцового валика, контактирующего с ленточной подложкой (обработанный полиэтилен). Врезка показывает средние значения для репрезентативных скоростей.

Спектр рентгеновского излучения свинца, вращающегося в контакте с роликом ленты (обработанный полиэтилен) показывает характеристические линии свинца (L-линии) - верхняя кривая на фиг.9. Это является ясным указанием на то, что свинец заряжается положительно относительно ленточной подложки и действует в качестве мишени для электронов. В таких же экспериментальных условиях мы измерили рентгеновское излучение из области контакта между свинцовым валиком и рулоном клейкой ленты (скотч), обращенной липкой стороной наружу (нижняя кривая на фиг.9). Разница между потоками рентгеновского излучения от этих двух систем демонстрирует способ управления эффективностью преобразования электронов высокой энергии в рентгеновское излучение путем изменения атомной массы (Z) материала мишени. Эти результаты показывают также, что один валик, изготовленный из разных материалов, может быть использован для управления излучением в виде зависимости от места контакта.

Рентгеновское излучение из области движения в контакте имеет форму рентгеновских импульсов (фиг.10). Эти измерения показывают, что импульсы рентгеновского излучения из области контакта свинцового валика с полиэтиленовым валиком имеют длительность 10-20 не. Это в свою очередь предполагает длину разряда около 1 мм и плотность заряда около 1×10¹¹ е^-/см² [Nature 455, October 23, 2008]. Эти результаты показывают, что излучение рентгеновского источника коллимировано в пространстве и имеет небольшую протяженность во времени.

Спектром рентгеновского излучения движущихся в контакте валиков можно управлять посредством состава материалов. На фиг.11 показан спектр излучения полимерного валика, контактирующего со свинцовым валиком, в сравнении со спектром излучения того же самого полимера в контакте с молибденовым валиком. В спектре рентгеновского излучения молибденового валика преобладают характеристические К-линии молибдена, а сам спектр демонстрирует управление энергетическим рентгеновским спектром. Такое спектральное распределение типично для современных маммографических систем. Этот источник может быть полезен для получения рентгеновских изображений с повышенной контрастностью. Например, использование валика, половина поверхности которого покрыта одним материалом, а остальная поверхность покрыта другим материалом, ведет к чередованию рентгеновских спектров с разными энергиями синхронно с вращением.

Рентгеновский источник согласно одному из вариантов настоящего изобретения может быть использован также для; получения фазоконтрастного изображения с использованием характеристических линий рентгеновского излучения материала мишени для сужения спектра энергий, а также для реализации источника небольшого размера. Несколько параллельных валиков действует в качестве матрицы вертикальных источников вместо сетки.

Рентгеновский источник согласно одному из вариантов настоящего изобретения может быть также использован для рентгеновской томографии. В частности, матрица разных источников может быть использована для получения нескольких рентгеновских изображений без перемещения этих источников.

Примеры рентгеновских изображений, полученных с использованием рентгеновского излучения контактирующих валиков, показаны на фиг.12А-15.

Источник рентгеновского излучения согласно одному из вариантов настоящего изобретения позволяет реализовать портативный, механически возбуждаемый рентгеновский источник, дающий возможность получать рентгеновские изображения без использования электроэнергии. В сочетании с линейным рентгеновским детектором из теллурида кадмия (CdTe), например, такой источник можно использовать для получения рентгеновских изображений с разрешением по энергиям. Настоящее изобретение может быть использовано для томографической реконструкции, такой как цифровой синтез изображения молочной железы на основе результатов томографии (фиг.13).

Рентгеновский источник согласно одному из вариантов настоящего изобретения может быть также использован для рентгеновской люминесценции.

Варианты, показанные и рассмотренные в настоящем описании, предназначены только для разъяснения специалистам в этой области, как изготовить и использовать это изобретение. Для описания вариантов изобретения использована для ясности специальная терминология. Однако настоящее изобретение не следует ограничивать выбранной специальной терминологией. Описанные выше варианты настоящего изобретения могут быть модифицированы или изменены, не отклоняясь от существа изобретения, как это понятно специалистам в свете приведенного выше раскрытия. Поэтому следует понимать, что в пределах объема формулы изобретения и ее эквивалентов настоящее изобретение может быть практически реализовано по-другому, отлично от того, как описано выше.

Источник рентгеновского излучения содержит ограничивающий корпус, первый валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса, второй валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса и находящийся в контакте качения с первым валиком, и приводной узел, функционально соединенный с первым и/или вторым валиком. Приводной узел вызывает вращение первого и второго валиков, причем участки первого и второго валиков входят в контакт и выходят из контакта внутри корпуса, когда первый и второй валики вращаются. Поверхность первого валика по меньшей мере частично выполнена из первого трибоэлектрического материала, а поверхность второго валика по меньшей мере частично выполнена из второго трибоэлектрического материала, так что первый трибоэлектрический материал имеет отрицательный трибоэлектрический потенциал относительно второго трибоэлектрического материала. Ограничивающий корпус выполнен с возможностью обеспечения внутри регулируемой атмосферной среды, причем первый трибоэлектрический материал, второй трибоэлектрический материал и регулируемая атмосферная среда выбраны такими, чтобы контакт качения между первым и вторым валиками генерировал рентгеновское излучение. Технический результат - повышение эффективности и накопления заряда. 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Источник рентгеновского излучения, содержащий:
ограничивающий корпус;
первый валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса;
второй валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса и находящийся в контакте качения с первым валиком; и
приводной узел, функционально соединенный с первым и/или вторым валиком,
при этом приводной узел выполнен с возможностью вызывать вращение первого и второго валиков, причем участки первого и второго валиков входят в контакт и выходят из контакта внутри ограничивающего корпуса, когда указанные первый и второй валики вращаются,
поверхность первого валика по меньшей мере частично выполнена из первого трибоэлектрического материала, а поверхность второго валика по меньшей мере частично выполнена из второго трибоэлектрического материала, причем первый трибоэлектрический материал имеет отрицательный трибоэлектрический потенциал относительно второго трибоэлектрического материала,
ограничивающий корпус выполнен с возможностью обеспечения внутри регулируемой атмосферной среды,
причем первый трибоэлектрический материал, второй трибоэлектрический материал и регулируемая атмосферная среда выбраны такими, чтобы контакт качения между первым и вторым валиками генерировал рентгеновское излучение.

2. Источник рентгеновского излучения по п.1, в котором ограничивающий корпус содержит рентгеновское окно, по существу прозрачное для рентгеновского излучения по сравнению с остальными участками ограничивающего корпуса.

3. Источник рентгеновского излучения по п.1, в котором ограничивающий корпус выполнен с возможностью поддерживать внутри вакуум с давлением ниже 10^-1 Торр.

4. Источник рентгеновского излучения по п.1, в котором ограничивающий корпус выполнен с возможностью поддерживать внутри вакуум с давлением выше 10^-9 Торр, но ниже 10^-3 Торр.

5. Источник рентгеновского излучения по п.1, в котором первый валик и/или второй валик имеют по меньшей мере две области поверхности из разных трибоэлектрических материалов, таких что в контакте качения между первым и вторым валиками происходит генерация излучения по меньшей мере в двух разных рентгеновских спектральных областях.

6. Источник рентгеновского излучения по п.1, в котором приводной узел содержит электродвигатель.

7. Источник рентгеновского излучения по п.1, дополнительно содержащий компонент аккумулирования электрической энергии, содержащий аккумулятор, и/или конденсатор, и/или суперконденсатор.

8. Источник рентгеновского излучения по п.7, дополнительно содержащий фотогальванический элемент.

9. Источник рентгеновского излучения по п.7, дополнительно содержащий приводимое в действие рукой зарядное устройство.

10. Источник рентгеновского излучения по п.1, в котором приводной узел содержит приводимый в действие рукой механизм.

11. Источник рентгеновского излучения по п.1, дополнительно содержащий третий валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса и находящийся в контакте качения по меньшей мере с первым валиком и/или вторым валиком,
при этом приводной узел выполнен с возможностью вызывать вращение первого, второго и третьего валиков, причем участки первого и/или второго валиков входят в контакт с третьим валиком и выходят из этого контакта внутри ограничивающего корпуса, когда первый, второй и третий валики вращаются,
поверхность третьего валика по меньшей мере частично выполнена из третьего трибоэлектрического материала, причем третий трибоэлектрический материал имеет отрицательный трибоэлектрический потенциал относительно первого и/или второго трибоэлектрического материала, и
первый трибоэлектрический материал, второй трибоэлектрический материал, третий трибоэлектрический материал и регулируемая атмосферная среда выбраны такими, чтобы контакт качения между первым, вторым и третьим валиками генерировал рентгеновское излучение по меньшей мере в двух областях контакта между валиками по существу одновременно.

12. Источник рентгеновского излучения по п.1, дополнительно содержащий:
третий валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса;
четвертый валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса и находящийся в контакте качения с третьим валиком,
при этом приводной узел функционально соединен с третьим и/или четвертым валиком,
приводной узел выполнен с возможностью вызывать вращение третьего и четвертого валиков, причем участки третьего и четвертого валиков входят в контакт и выходят из контакта внутри ограничивающего корпуса, когда третий и четвертый валики вращаются,
поверхность третьего валика по меньшей мере частично выполнена из третьего трибоэлектрического материала, а поверхность четвертого валика по меньшей мере частично выполнена из четвертого трибоэлектрического материала, причем третий трибоэлектрический материал имеет отрицательный трибоэлектрический потенциал относительно четвертого трибоэлектрического материала,
ограничивающий корпус выполнен с возможностью обеспечения внутри регулируемой атмосферной среды,
причем третий трибоэлектрический материал, четвертый трибоэлектрический материал и регулируемая атмосферная среда выбраны такими, чтобы контакт качения между третьим и четвертым валиками генерировал рентгеновское излучение.

13. Источник рентгеновского излучения по п.1, дополнительно содержащий несколько пар валиков, расположенных по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса и функционально соединенных с указанным приводным узлом,
при этом каждый валик из указанных нескольких пар валиков имеет по меньшей мере часть поверхности, выполненную из соответствующего трибоэлектрического материала, выбранного таким, чтобы контакт качения между валиками каждой из указанных нескольких пар валиков генерировал рентгеновское излучение.

14. Источник рентгеновского излучения по п.1, в котором первый и/или второй трибоэлектрические материалы содержат в своем составе атомный элемент, имеющий возбужденное квантовое энергетическое состояние, которое способно возбуждаться электронами, движущимися от первого или второго валика к другому валику из этих первого и второго валиков,
причем указанный элемент испускает рентгеновское излучение с энергией в пределах по меньшей мере одного узкого энергетического диапазона при переходе из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией, вследствие чего рентгеновский источник генерирует рентгеновское излучение в узком энергетическом диапазоне.

15. Система для получения рентгеновского изображения, содержащая:
источник рентгеновского излучения; и
рентгеновский детектор,
при этом источник рентгеновского излучения содержит:
ограничивающий корпус;
первый валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса;
второй валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса и находящийся в контакте качения с первым валиком; и
приводной узел, функционально соединенный с первым и/или вторым валиком,
при этом приводной узел выполнен с возможностью вызывать вращение первого и второго валиков, причем участки первого и второго валиков входят в контакт и выходят из контакта вдоль по существу линейной области контакта внутри ограничивающего корпуса, когда первый и второй валики вращаются,
поверхность первого валика по меньшей мере частично выполнена из первого трибоэлектрического материала, а поверхность второго валика по меньшей мере частично выполнена из второго трибоэлектрического материала, причем первый трибоэлектрический материал имеет отрицательный трибоэлектрический потенциал относительно второго трибоэлектрического материала,
ограничивающий корпус выполнен с возможностью обеспечения внутри регулируемой атмосферной среды,
первый трибоэлектрический материал, второй трибоэлектрический материал и регулируемая атмосферная среда выбраны такими, чтобы контакт качения между первым и вторым валиками генерировал рентгеновское излучение вдоль по существу линейной области контакта, а
рентгеновский детектор содержит линейный детектор, выполненный и расположенный с возможностью обнаружения рентгеновского излучения из рентгеновского источника.

16. Система для получения рентгеновского изображения по п.15, в которой ограничивающий корпус содержит рентгеновское окно, по существу прозрачное для рентгеновского излучения по сравнению с остальными частями ограничивающего корпуса.

17. Система для получения рентгеновского изображения по п.15, в которой ограничивающий корпус выполнен с возможностью поддерживать внутри вакуум с давлением ниже 10^-1 Торр.

18. Система для получения рентгеновского изображения по п.15, в которой ограничивающий корпус выполнен с возможностью поддерживать внутри вакуум с давлением выше 10^-9 Торр, но ниже 10^-3 Торр.

19. Система для получения рентгеновского изображения по п.15, в которой первый валик и/или второй валик имеет по меньшей мере две области поверхности, выполненные из разных трибоэлектрических материалов, так что при контакте качения между первым и вторым валиками происходит генерация по меньшей мере двух разных рентгеновских спектров излучения.

20. Система для получения рентгеновского изображения по п.15, в которой приводной узел содержит электродвигатель.

21. Система для получения рентгеновского изображения по п.15, дополнительно содержащая компонент аккумулирования электрической энергии, содержащий аккумулятор, и/или конденсатор, и/или суперконденсатор.

22. Система для получения рентгеновского изображения по п.21, дополнительно содержащая фотогальванический элемент.

23. Система для получения рентгеновского изображения по п.21, дополнительно содержащая приводимое в действие рукой зарядное устройство.

24. Система для получения рентгеновского изображения по п.15, в которой приводной узел содержит приводимый в действие рукой механизм.

25. Система для получения рентгеновского изображения по п.15, дополнительно содержащая третий валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса и находящийся в контакте качения с первым валиком и/или вторым валиком,
при этом приводной узел выполнен с возможностью вызывать вращение первого, второго и третьего валиков, причем участки первого и/или второго валиков входят в контакт с третьим валиком и выходят из этого контакта внутри ограничивающего корпуса, когда первый, второй и третий валики вращаются,
поверхность третьего валика по меньшей мере частично выполнена из третьего трибоэлектрического материала, причем третий трибоэлектрический материал имеет отрицательный трибоэлектрический потенциал относительно первого и/или второго трибоэлектрического материала, и
первый трибоэлектрический материал, второй трибоэлектрический материал, третий трибоэлектрический материал и регулируемая атмосферная среда выбраны такими, чтобы контакт качения между первым, вторым и третьим валиками генерировал рентгеновское излучение вдоль по меньшей мере двух контактов между валиками по существу одновременно.

26. Система для получения рентгеновского изображения по п.15, дополнительно содержащая:
третий валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса;
четвертый валик, расположенный по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса и находящийся в контакте качения с третьим валиком,
при этом приводной узел функционально соединен с третьим и/или четвертым валиком,
приводной узел выполнен с возможностью вызывать вращение третьего и четвертого валиков, причем участки третьего и четвертого валиков входят в контакт и выходят из контакта внутри ограничивающего корпуса, когда третий и четвертый валики вращаются,
поверхность третьего валика по меньшей мере частично выполнена из третьего трибоэлектрического материала, а поверхность четвертого валика по меньшей мере частично выполнена из четвертого трибоэлектрического материала, причем третий трибоэлектрический материал имеет отрицательный трибоэлектрический потенциал относительно четвертого трибоэлектрического материала,
при этом ограничивающий корпус выполнен с возможностью обеспечивать внутри регулируемую атмосферную среду,
причем третий трибоэлектрический материал, четвертый трибоэлектрический материал и регулируемая атмосферная среда выбраны такими, чтобы контакт качения между третьим и четвертым валиками генерировал рентгеновское излучение.

27. Система для получения рентгеновского изображения по п.15, дополнительно содержащая несколько пар валиков, расположенных по меньшей мере частично внутри ограничивающего корпуса и функционально соединенных с указанным приводным узлом,
при этом каждый валик из указанных нескольких пар валиков имеет по меньшей мере часть поверхности, выполненную из соответствующего трибоэлектрического материала, выбранного таким, чтобы контакт качения между валиками каждой из указанных нескольких пар валиков генерировал рентгеновское излучение.

28. Система для получения рентгеновского изображения по п.15, в которой первый и/или второй трибоэлектрический материал содержит в своем составе атомный элемент, который имеет возбужденное квантовое энергетическое состояние, которое способно возбуждаться электронами, движущимися от одного валика из указанных первого и второго валиков к другому валику из этих первого и второго валиков,
при этом атомный элемент испускает рентгеновское излучение с энергией в пределах по меньшей мере одного узкого энергетического диапазона при переходе из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией, вследствие чего рентгеновский источник генерирует рентгеновское излучение в узком энергетическом диапазоне.