Пироэлектрический генератор рентгеновского излучения Российский патент 2025 года по МПК H01J35/00 

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано в переносных малогабаритных рентгеновских аппаратах, в частности для медицины катастроф, МЧС, для диагностики и лечения заболеваний, а также в других областях техники.

Известны малогабаритные твердотельные генераторы рентгеновского излучения и нейтронов на основе пироэффекта [1-5]. Пироэлектрические генераторы работают следующим образом. При прогреве сегнетоэлектрика (ниобата лития, танталата висмута и др.), расположенного на прогреваемом электроде в вакууме на его поверхности возникает электрический заряд. При достижении критического электрического поля возникает лавина электронов с поверхности сегнетоэлектрика (пробой) в направлении второго электрода. Вследствие торможения электронов на втором электроде (мишени) и на остаточном газе возникает рентгеновское излучение. При использовании водорода возможно получение нейтронного потока [3].

Недостатки известных устройств заключаются в малой интенсивности излучения, что сдерживает практическое применение устройств на пироэффекте.

В патенте RU 183140 [1] предлагается введение термоэлектронного катода для дополнительной генерации электронов, однако это усложняет изготовление, требует дополнительных источников питания, ограничивает род применяемых газов и область применения, но не решает проблему малой интенсивности излучения.

Наиболее близким к заявляемому (прототипом) изобретению является пироэлектрический источник рентгеновского излучения Патент России 184642 [6]. Для повышения эффективности генерации в этом патенте два кристалла соединяются между собой фольгой с припаянной иглой, которая замыкается через пробойный промежуток на заземленный электрод (мишень).

Основной недостаток прототипа заключается в малой интенсивности рентгеновского излучения, ограничивающей его практическое применение. Этот недостаток обусловлен тем, число генераций растянуто во времени и недостаточно для практических применений, поскольку, в отличие от металлов, проводимость сегнетоэлектриков возникает не сразу, а по мере накопления заряда на поверхности сегнетоэлектрика. Накопление заряда не происходит мгновенно и зависит от скорости нагрева, при которой кристалл сегнетоэлектрика еще не разрушается (не трескается). Существует компромисс между размером кристалла и темпом его нагрева [7]. Например, для размеров кристалла ниобата лития размером 10×20×20 мм темп нагрева составляет 3 K/мин [8].

Для кристаллов ниобата лития диаметром 11 мм и толщиной 7 мм оптимальная скорость нагрева составляет 8 K/мин [9]. В итоге цикл нагрева и охлаждения продолжается 30-40 минут, а число случайных генераций кристалла не достигает двух десятков независимо от давления при расстоянии от кристалла до мишени, достаточном для удержания напряжения генерации рентгеновского излучения.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности генерации рентгеновского излучения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем вакуумную камеру, нагреватель кристаллов, кристалл, ориентированный на мишень, окно для вывода излучения, включен по меньшей мере один дополнительный кристалл, над которым расположен промежуточный электрод, а между промежуточным электродом и дополнительным кристаллом расположены диэлектрические вставки, причем промежуточный электрод снабжен элементом электрической коммутации с кристаллом, ориентированным на мишень.

Идея повышения эффективности генерации основана коммутации нескольких случайных сигналов от дополнительных кристаллов на одном кристалле, ориентированном на мишень. (В первом приближении дополнительные кристаллы окружают кристалл, ориентированный на мишень и расположены в виде ромашки). В этом случае частота сигналов увеличится пропорционально числу дополнительных кристаллов. Соответственно, эффективность генерации увеличивается пропорционально этому числу.

На фиг. 1 представлена общая схема пироэлектрического генератора, где 1, 3 - дополнительные кристаллы, 2 - кристалл, ориентированный на мишень, 4 - прогреваемое основание, 5 - диэлектрическая вставка, 6 - промежуточный электрод, 7 - элемент коммутации, 8 - мишень, 9 - вакуумная камера, 10 - окно для вывода излучения.

Кристаллы 1, 2, 3 расположены на прогреваемом основании 4. Вокруг центрального кристалла 2 расположены дополнительные кристаллы 1, 3. Над дополнительными кристаллами расположены диэлектрические вставки 5 с промежуточными электродами 6. Промежуточный электрод 6 с помощью коммутатора 7 соединен с центральным кристаллом 2, ориентированным на мишень 8. Все элементы генератора расположены в вакуумной камере 9, снабженной окном для вывода излучения 10.

На фиг. 2 представлен вид сверху на соединение кристаллов.

При соединении дополнительного кристалла 1, с центральным кристаллом 2, электрическую цепь образуют дополнительный кристалл 1 и центральный кристалл 2.

Такую же параллельную цепь образует второй дополнительный кристалл 3, также подключенный к центральному кристаллу 2, ориентированному на мишень.

В итоге все дополнительные кристаллы образуют параллельные каналы, подключенные к одному центральному кристаллу 2, ориентированному на мишень. И хотя сигналы от каждого кристалла появляются случайно, все они приходят через элемент коммутации на кристалл 2, ориентированный на мишень. В итоге общая частота генераций возрастает пропорционально числу дополнительных кристаллов и кратности посылаемых ими сигналов. Соответственно, эффективность генерации увеличивается пропорционально числу дополнительных кристаллов.

На фиг. 3 представлена схема, поясняющая прохождение импульсных сигналов пироэлектрической генерации от трех кристаллов во времени с последующим суммированием на кристалле, ориентированном на мишень.

Устройство работает следующим образом. При прогреве кристаллов 1, 2, 3, на их поверхности возникает заряд, и создается напряженность электрического поля. Некоторые молекулы газа из окружающей среды и газа, выделяющегося из прогреваемого кристалла, ионизируются. На каком-то из кристаллов, например, дополнительном 1, напряженность поля достигает критической величины, достаточной для ионизации газа. Возникает лавинная ударная электронная ионизация газа. Лавина электронов формирует пробой по диэлектрической вставке 5 на промежуточный электрод 6. Импульс тока через коммутирующий элемент 7 передается на центральный кристалл 2. Центральный кристалл имеет некоторый свой потенциал, и к нему добавляется пришедший. В итоге с центрального кристалла возникает генерация электронов в направлении мишени 8. Вследствие торможения электронов на мишени и на остаточном газе возникает рентгеновское излучение, которое выводится из вакуумной камеры 9 через окно 10, выполненное из бериллия. Далее такой же импульс приходит с другого дополнительного кристалла 3 на кристалл 2. В итоге частота сигналов по мере изменения температуры будет больше, чем от одного кристалла, поскольку все кристаллы время от времени посылают импульсы.

Роль вновь введенных элементов в повышении эффективности пироэлектрической генерации

Вновь введенные элементы следующие: 1) дополнительные кристаллы; 2) взаимное расположение дополнительных кристаллов вокруг центрального кристалла, ориентированного на мишень; 3) промежуточные электроды над кристаллами; 4) диэлектрические вставки между промежуточными электродами и кристаллами; 5) коммутаторы между промежуточными электродами и центральным кристаллом.

Введение дополнительных вспомогательных кристаллов способствуют повышению эффективности предлагаемого устройства за счет увеличения числа генераций в единицу времени, поскольку каждый кристалл вкладывает по несколько генераций за цикл нагрева и охлаждения. Кратность увеличения числа генераций прямо пропорциональна числу дополнительных кристаллов и числу генераций каждого кристалла. Это является новым и отличительным элементом от прототипа. При одном дополнительном кристалле получится последовательное соединение. Но ток по сегнетоэлектрику, в отличие от металлов, течет не непрерывно, а по мере накопления заряда. Заряд накапливается не сразу. При размерах кристаллов, соизмеримых с размерами аналогов, время накопления заряда, необходимого для пробоя на мишень, составляет одну-три минуты при скоростях нагрева аналогов до 8 K/мин. Поэтому при одном дополнительном кристалле эффект сложения зарядов достаточен для его проявления.

Расположение дополнительных кристаллов вокруг основного кристалла (в виде ромашки) - это параллельное включение дополнительных кристаллов к основному. Параллельное соединение позволяет увеличить число сигналов за цикл нагрева и охлаждения кристаллов. Такое соединение является новым в технологи конструирования пироэлектрических генераторов. Новизна расположения кристаллов учитывает временные характеристики прихода сигналов. Известные ранее генераторы не учитывали взаимодействие сигналов от группы кристаллов. Таким образом, новое расположение кристаллов способствует повышению эффективности пироэлектрической генерации, несет существенную отличительную особенность, по сравнению с прототипом, - сложение случайных сигналов во времени с целью повышения эффективности генерации.

Промежуточный электрод обеспечивает прием сигнала от дополнительного кристалла через диэлектрическую вставку и далее через элемент коммутации (сцепку) передает его на кристалл, ориентированный на мишень. Введение промежуточного электрода обеспечивает технологичность монтажа и сборки системы и создает условия суммирования нескольких сигналов во времени, способствуя повышению эффективности генерации. В известных аналогах элементы передачи сигнала отсутствуют. Введение промежуточных электродов с дополнительными кристаллами увеличивает частоту генераций, что позволяет управлять дозой облучения через число кристаллов. Промежуточный электрод входит в единый комплекс повышения частоты генерации с целью повышения эффективности устройства. Промежуточный электрод играет роль передаточного элемента для потенциала от дополнительного кристалла к коммутатору, а также поддерживает межэлектродное расстояние от него до дополнительного кристалла. В итоге при пироэлектрической генерации в газовой среде тлеющий разряд не шунтирует разрядный промежуток, от кристалла до мишени, а осуществляет дополнительный вклад тлеющего разряда в пироэлектрическую генерацию. Вклад тлеющего разряда в пироэлектрическую генерацию является новым и существенным отличием предлагаемого решения от прототипа.

Таким образом, вновь введенный элемент - промежуточный электрод - наделяет генератор новизной и существенно отличает известные решения от предлагаемого по физике процессов пироэлектрической генерации.

Диэлектрические вставки - это вновь введенный элемент в предлагаемом решении. В отличие от прототипа, вставки несут новую функцию: пробой по поверхности диэлектрика от кристалла на промежуточный электрод, а не пробой по газовому промежутку. Размер вставки обеспечивает стабильность условий пробоя, по сравнению с иглой прототипа.

Игла в прототипе служит для замыкания электрической цепи от граней кристаллов (на «землю»). Прохождение электрического заряда через окружающую среду всегда сопровождается газофазными реакциями, вследствие которых на электродах разрядного промежутка формируются оксиды, нитриды, карбиды, гидриды и прочие интерметаллические соединения, что создает нестабильность пробоя, ограничивает надежность, срок службы и эффективность генерации рентгеновского излучения.

В предлагаемом решении диэлектрические вставки обеспечивают выполнение закона Пашена. Согласно закону Пашена, напряжение зажигания разряда зависит от произведения давления на расстояние между электродами. В предлагаемом устройстве между кристаллом и промежуточным электродом образуется свое произведение давления на максимальное расстояние. Разряд всегда формируется по длинному пути. Введение диэлектрических вставок - это новый взгляд на условия формирования пироэлектрического разряда, который расширяет границы существования пироэлектрического разряда по давлению между кристаллом и промежуточным электродом и способствует увеличению частоты пробоев по длинному пути от дополнительного кристалла до промежуточного электрода. Расстояние пробоя становится больше, чем расстояние от кристалла до промежуточного электрода по прямой линии. Это расширяет условия пироэлектрической генерации по давлению газовой среды и существенно отличает предлагаемое решение от прототипа.

Пробой по поверхности диэлектрической вставки обеспечивает постоянство параметров пробоя независимо от параметров окружающей среды. Это вносит существенные отличия предлагаемого устройства по физике пробоя, что способствует повышению эффективности и надежности пироэлектрической генерации.

Элемент коммутации между промежуточным электродом и центральным кристаллом обеспечивает передачу сигнала от промежуточного электрода дополнительного кристалла к центральному. Передача дополнительного сигнала способствует повышению эффективности устройства. Кроме того, элемент коммутации создает удобство сборки системы в виде конструктора, что важно при относительно небольших размерах кристаллов.

Благодаря элементу коммутации устраняется разность вертикальных размеров кристаллов, а также проводится механическое удержание кристаллов независимо от положения всего устройства в пространстве. Введение коммутатора наделяет устройство параметрами технологичности, что является новым технологическим фактором повышения эффективности пироэлектрических генераторов.

Существенные отличия предлагаемого решения заключаются в неочевидности предлагаемых решений для специалистов. Они заключаются в углублении и комплексном суммировании знаний о взаимодействии и сложении случайных сигналов, о физике пробоя по поверхности диэлектрика, о передаче сигналов короткой длительности не непосредственно от кристаллов, а от установочных элементов устройства.

Таким образом, предлагаемое решение отвечает критериям «новизна» и «существенные отличия».

Вариант осуществления изобретения

Для технической реализации брались три кристалла ниобата лития диаметром 11 мм и толщиной 7 мм, размещаемые на программируемом резистивном нагревателе ПРН -5, который обеспечивал линейный нагрев до температуры 100°С. (Элементы Пельтье для нагрева и охлаждения кристаллов не использовались ввиду высокочастотных наводок в p-n переходах этих элементов, приводящих к выходу их из строя при пироэлектрической генерации). На дополнительные кристаллы устанавливались фторопластовые диэлектрические вставки в виде пластинок 2×3 мм. Над дополнительными кристаллами помещались отдельные медные промежуточные электроды диаметром 12 мм. Промежуточные электроды соединялись с центральным кристаллом коммутатором в виде пружины, припаянной к промежуточному электроду. Медная мишень через особо точные согласующие чип-резисторы соединялась с осциллографом АКИП 4119/3, на котором оценивалась частота импульсов и их форма [10]. Расстояние от мишени до центрального кристалла составляло 2 мм. Вся аппаратура размещалась на типовом вакуумном посту ВУП-4. Рентгеновская пленка марки SD-SPEEDX 50 устанавливалась на стеклянной колбе вакуумного датчика ПМИ-2 с толщиной стенки 0,7 мм. Анод вакуумного датчика соединялся с мишенью. Кроме того, в вакуумную камеру с давлением 0,1 мм рт.ст. в окрестности мишени помещался конверт с рентгеновской пленкой. Интенсивность рентгеновского излучения оценивалась фотометрированием путем сравнения световых потоков через пленку, полученную от стоматологов (16 кВ, 2 мА, 1 сек, 0,04 миллизиверта) с пленкой, расположенной на датчике.

Эффективность генерации (энерговклад) оценивался на ЭВМ по произведению относительного (единичного) напряжения, тока, времени и числа генераций импульсов. В первом приближении энерговклад оценивается по площади первого полупериода осциллограммы.

На фиг. 4 представлена осциллограмма одиночного кристалла при атмосферном давлении.

На фиг. 5 представлена осциллограмма, полученная от параллельного соединения трех кристаллов.

В итоге установлено, что при параллельном соединении кристаллов частота импульсов генерации увеличивается. Осциллограмма при параллельном соединении часто имеет вид трапеции (фиг. 5), что свидетельствует о сложении сигналов от нескольких кристаллов.

На одиночном кристалле максимальное число импульсов генерации составляет 12-17 за цикл нагрева и естественного охлаждения при расстоянии между кристаллом и мишенью 2 мм. Параллельно включение трех кристаллов увеличивает частоту пробоев на мишень до 56 импульсов за цикл нагрева.

Установлено, что за один цикл нагрева и охлаждения за 56 импульсов за цикл нагрева происходит совпадение степени потемнения такой же рентгеновской пленки, полученной от стоматологов, с пленкой, расположенной на датчике.

Таким образом, повышение эффективности пироэлектрической генерации достигнуто за счет новых сведений по анализу динамики пироэлектрической генерации, а также сведений из анализа поведения системы при соединении кристаллов.

Практическая ценность и промышленная применимость предлагаемого решения в том, что для его реализации могут использоваться кристаллы посредственного качества (так называемые неконгуэнтные), в которых обедненный состав некоторых редких элементов, а также пьезокерамики, которые гораздо дешевле кристаллов. Из осциллограмм видно, что несколько маленьких кристаллов работают лучше, чем один большой, поскольку большой кристалл нужно медленнее греть. Другим промышленным достоинством является применение омического нагрева кристаллов вместо элементов Пельтье для нагрева, поскольку элементы Пельтье относительно дороги и недостаточно надежны.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В. Щагин, О.О. Иващук, А.С. Кубанкин, А.А. Каплий, А.А. Кленин. Импульсный пироэлектрический ускоритель. Патент 183140, Б.И. 26 от 12.09.2018.

2. И.С. Никулин, А.С. Кубанкин, М.В. Мишунин, А.А. Каплий. Генератор рентгеновского излучения. Патент 177198, Б.И. 5 от 13.02.2018. Перфорированный титановый стакан для поддержки вакуума.

3. J.A. Geuther and G. Danon. Enhanced neutron production from pyroelectric fusion. Appl. Phys. Lett. 90, 174103 (2007). (Генерация протонов, если в камере водород).

4. G. Rosenman, D. Shur, Y.F., Krasik and A. Dunaevsky. Electron emission from ferroelectrics. J. Appl. Phys. 88, 6109, (2000).

5. J.D. Brownridge. Pyroelectric X-ray generator. Nature (London) 358, 287 (1992).

6. А.Н. Олейник, П.В Каратаев, А.С. Кубанкин и др. Пироэлектрический источник рентгеновского излучения. Патент России 184642 Б.И. 31 от 01.11. 2018. (Прототип, игла).

7. A.S. Kubankin, A.S, Schepurnov, O.O. Ivashchuk. et al. Optimal speed of temperature change of a cristal in pyroelectric X-ray radiation source. AIP Advances 035207, M Volume 8, issue 3, March 2018. Doi 10.1063/1.5021601// Перевод: Оптимальная скорость изменения температуры кристалла в пироэлектрическом источнике рентгеновского излучения. А.С. Кубанкин, А.С. Чепурнов, О.О. Иващук, В.Ю. Иониди, И.А. Кишин, А.А. Кленин, А.Н . Олейник, А.В. Щагин.

8. О.О. Иващук, А.В. Щагин, А.С. Кубанкин и др. Исследование граничной энергии тормозного рентгеновского излучения от давления остаточного газа при работе пироэлектрического источника в вакууме. Краткие сообщения по физике ФИАН № 12, 2021, с. 22-27.

9. L.N. Orlikov. Pulse source of electrons based on the pyroeffect / L.N. Orlikov, K.M. Mambetova, S.I. Arestov, S.M. Shandarov, N.I. Burimov, B.I. Avdochenko, A.A. Elchaninov // PROCEEDINGS 2020 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE) Tomsk, Russia, September 14 - 26, 2020. - P. 408-412.

10. С.М. Шандаров., К.М. Мамбетова, А.И. Аксенов, Л.Н. Орликов. Устройство для регистрации динамики пироэлектрической генерации импульсных электронных пучков наносекундной длительности в циклах нагрева и охлаждения кристалла ниобата лития при атмосферном давлении. Патент России 2 807 673 МПК G01R 31/26 (2014.01). Бюл. № 33 от 21.11.2023.

Изобретение относится к области рентгеновской техники и может быть использовано в переносных малогабаритных рентгеновских аппаратах, в частности для медицины катастроф, МЧС, для диагностики и лечения заболеваний, а также в других областях техники. Технический результат - увеличение интенсивности рентгеновского излучения. Устройство содержит по меньшей мере один дополнительный кристалл, над которым расположен промежуточный электрод, а между промежуточным электродом и дополнительным кристаллом расположены диэлектрические вставки. Промежуточный электрод снабжен элементом электрической коммутации с кристаллом, ориентированным на мишень. 5 ил.

Пироэлектрический генератор рентгеновского излучения, содержащий вакуумную камеру, нагреватель кристаллов, окно для вывода излучения, кристалл, ориентированный на мишень, отличающийся тем, устройство содержит по меньшей мере один дополнительный кристалл, над которым расположен промежуточный электрод, а между промежуточным электродом и дополнительным кристаллом расположены диэлектрические вставки, причем промежуточный электрод снабжен элементом электрической коммутации с кристаллом, ориентированным на мишень.