RU204288U1

RU204288U1 - Miniature Piezoelectric X-ray Generator

Info

Publication number: RU204288U1
Application number: RU2021105374U
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Кубанкин; Артемий Александрович Кленин; Егор Владимирович Болотов; Андрей Николаевич Олейник; Александр Васильевич Щагин; Олег Орестович Иващук; Анна Андреевна Каплий
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2021-05-19

Abstract

Полезная модель относится к области ускорительной техники и может быть использована для генерации рентгеновского излучения, которое применяется как при проведении фундаментальных физических исследований, так и в областях практического характера: рентгенография, рентгеноскопия, рентгенотерапия, рентгеновская дефектоскопия, рентгеноструктурный и рентгенофлуоресцентный анализы. Генератор содержит вакуумную камеру, в которой расположены два пьезоэлемента, соединенные между собой высоковольтным электродом с присоединенным к нему высоковольтным проводом, зафиксированные прижимными дисками и помещенные в диэлектрический кожух и установленные внутрь каркаса. На каркасе закреплен рычаг, выполненный в виде соединенных между собой пластин, каждая из которых прикреплена к одному из прижимных дисков, и с возможностью осуществления механического воздействия на пьезоэлементы. Напротив свободного конца высоковольтного провода установлена мишень, являющаяся источником распространения рентгеновского излучения.The utility model belongs to the field of accelerator technology and can be used to generate X-ray radiation, which is used both in fundamental physical research and in areas of a practical nature: X-ray, fluoroscopy, X-ray therapy, X-ray flaw detection, X-ray structural and X-ray fluorescence analyzes. The generator contains a vacuum chamber, in which there are two piezoelectric elements connected to each other by a high-voltage electrode with a high-voltage wire attached to it, fixed by pressure discs and placed in a dielectric casing and installed inside the frame. A lever is fixed on the frame, made in the form of interconnected plates, each of which is attached to one of the pressure discs, and with the possibility of mechanical action on the piezoelectric elements. A target is installed opposite the free end of the high-voltage wire, which is a source of X-ray radiation propagation.

Description

Полезная модель относится к области ускорительной техники и может быть использована для генерации рентгеновского излучения, которое применяется как при проведении фундаментальных физических исследований, так и в областях практического характера: рентгенография, рентгеноскопия, рентгенотерапия, рентгеновская дефектоскопия, рентгеноструктурный и рентгенофлуоресцентный анализы.The utility model belongs to the field of accelerator technology and can be used to generate X-ray radiation, which is used both in fundamental physical research and in areas of a practical nature: X-ray, fluoroscopy, X-ray therapy, X-ray flaw detection, X-ray structural and X-ray fluorescence analyzes.

Одним из наиболее эффективных способов генерации рентгеновского излучения является – пироэлектрический источник. Электроны генерируются при нагреве пироэлектрического кристалла ниобата лития (LiNbO₃) в вакууме до температуры достаточной для поляризации материала и создания электрического поля на его поверхности. В таком электрическом поле происходит электронная эмиссия с поверхности пироэлектрического кристалла в вакууме. Электроны могут генерировать рентгеновское излучение в процессе их бомбардировки заземленной мишени, расположенной напротив поверхности пироэлектрического кристалла. Такой принцип генерации рентгеновского излучения описан, в патенте «Генератор электронов и рентгеновского излучения» (US № 3840748 A, публ. 08.10.1974 г.).One of the most effective ways to generate X-ray radiation is a pyroelectric source. Electrons are generated when a pyroelectric lithium niobate crystal (LiNbO ₃ ) is heated in vacuum to a temperature sufficient to polarize the material and create an electric field on its surface. In such an electric field, electron emission occurs from the surface of a pyroelectric crystal in a vacuum. Electrons can generate X-rays as they bombard a grounded target opposite the surface of a pyroelectric crystal. This principle of generation of X-ray radiation is described in the patent "Generator of electrons and X-rays" (US No. 3840748 A, publ. 08.10.1974).

Недостатком этого способа, основанного на явлении электронной эмиссии с поверхности пироэлектрического кристалла при его нагреве в вакууме, является ограниченный диапазон рабочих температур и, как следствие, ограниченная интенсивность рентгеновского излучения, а также необходимость использования теплоизоляционных материалов для предотвращения рассеяния тепла. Недостатком является образующийся на поверхности пироэлектрического кристалла градиент температур, что приводит к неравномерному распределению заряда на его поверхности.The disadvantage of this method, based on the phenomenon of electron emission from the surface of a pyroelectric crystal when it is heated in a vacuum, is the limited operating temperature range and, as a consequence, the limited intensity of X-ray radiation, as well as the need to use heat-insulating materials to prevent heat dissipation. The disadvantage is the temperature gradient formed on the surface of the pyroelectric crystal, which leads to an uneven distribution of the charge on its surface.

Другим способом ускорения заряженных частиц в сильных электрических полях в вакууме, приводящим к генерации рентгеновского излучения, является использование трибоэлектрического источника, описанного в патенте «Трибоэлектрический источник рентгеновского излучения» (US № 9093248 B2, публ. 28.07.2005 г.). Устройство состоит из двух диэлектрических контактов, представляющих собой подвижный силиконовый стержень и эпоксидную подложку, установленную на тефлоновую подложку, а также твердотельного детектора рентгеновского излучения. В процессе механического взаимодействия (трения) с частотой порядка 20 Гц двух диэлектрических контактов происходит их поляризация. На поверхности одного диэлектрика образуется отрицательный высокий потенциал, на поверхности другого положительный, при отдалении двух диэлектрических материалов на расстоянии около 5 мм друг от друга. Таким образом, энергетически выгодным в данном случае является процесс электронной эмиссии с поверхности отрицательно заряженной диэлектрической пластины к поверхности пластины, имеющей положительный заряд. Электроны, испытавшие взаимодействие с одной из диэлектрических поверхностей, инициируют эмиссию рентгеновских лучей. Another way to accelerate charged particles in strong electric fields in a vacuum, leading to the generation of X-rays, is the use of a triboelectric source described in the patent "Triboelectric X-ray source" (US No. 9093248 B2, publ. July 28, 2005). The device consists of two dielectric contacts, which are a movable silicone rod and an epoxy substrate mounted on a Teflon substrate, as well as a solid-state X-ray detector. In the process of mechanical interaction (friction) with a frequency of about 20 Hz between two dielectric contacts, their polarization occurs. A negative high potential is formed on the surface of one dielectric, and a positive potential on the surface of the other, when two dielectric materials are spaced at a distance of about 5 mm from each other. Thus, in this case, the process of electron emission from the surface of a negatively charged dielectric plate to the surface of the plate having a positive charge is energetically favorable. Electrons interacting with one of the dielectric surfaces initiate the emission of X-rays.

К недостаткам данного способа генерации рентгеновского излучения за счет трибоэлектрического эффекта в вакууме, можно отнести быстрый износ контактирующих поверхностей диэлектрических материалов, что существенно ограничивает продолжительность эмиссии рентгеновских лучей, а также перегрев фрикционных контактов, приводящий к нестабильной генерации радиационного излучения.The disadvantages of this method of generating X-ray radiation due to the triboelectric effect in vacuum include the rapid wear of the contacting surfaces of dielectric materials, which significantly limits the duration of the X-ray emission, as well as overheating of the friction contacts, leading to unstable generation of radiation radiation.

Альтернативным способом ускорения заряженных частиц и генерации рентгеновского излучения является источник, основанный на работе пьезоэлектрического трансформатора в вакууме «Низкомощный компактный пьезоэлектрический излучатель частиц» (US № 9883576 B2, публ. 30.01.2018 г.). Пьезоэлектрический трансформатор, представляющий собой цельную пластину из ниобата лития, состоит из входной секции, в виде двух посеребренных поверхностей, расположенных параллельно через диэлектрический слой, и выходной секции, расположенной на торцевой части пластины, также покрытой серебряным слоем. На вход первой секции подается переменное напряжение, что приводит к возникновению механических колебаний, вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта. Колебания распространяются вдоль пластины и приводят к генерации напряжения на торцевой части выходной секции. При частоте колебаний напряжения на входной секции около 20 кГц наблюдается резонансное явление, приводящее к значительному усилению напряжения на торцевой части выходной секции, являющейся эмиттером электронов в вакууме. Ускоренные электроны в электрическом поле, взаимодействуя с заземленной мишенью, генерируют рентгеновское излучение. An alternative way to accelerate charged particles and generate X-ray radiation is a source based on the operation of a piezoelectric transformer in vacuum "Low-power compact piezoelectric particle emitter" (US No. 9883576 B2, publ. 30.01.2018). The piezoelectric transformer, which is a one-piece lithium niobate plate, consists of an input section in the form of two silvered surfaces arranged in parallel through a dielectric layer, and an output section located at the end of the plate, also coated with a silver layer. An alternating voltage is applied to the input of the first section, which leads to the occurrence of mechanical vibrations due to the inverse piezoelectric effect. Oscillations propagate along the plate and lead to the generation of voltage at the end of the outlet section. At a frequency of voltage fluctuations at the input section of about 20 kHz, a resonant phenomenon is observed, leading to a significant increase in voltage at the end part of the output section, which is an emitter of electrons in a vacuum. Accelerated electrons in an electric field, interacting with a grounded target, generate X-rays.

Недостатками описанного способа генерации рентгеновского излучения, основанного на работе пьезоэлектрического трансформатора в вакууме, является самопроизвольный нагрев пьезоэлектрического трансформатора, что приводит к изменению величины резонансной частоты, значение которой приходится постоянно подстраивать с помощью внешнего генератора импульсов. Также недостатком является то, что возникающая электронная эмиссия приводит к увеличению среднего положительного потенциала на эмиттере пьезотрансформатора, что вызывает необходимость внедрения в конструкцию такого источника дополнительного эмиттера электронов, обеспечивающего стабильную генерацию отрицательного синусоидального напряжения на выходном конце пьезоэлектрического трансформатора.The disadvantages of the described method of generating X-ray radiation, based on the operation of a piezoelectric transformer in vacuum, is the spontaneous heating of the piezoelectric transformer, which leads to a change in the value of the resonant frequency, the value of which must be constantly adjusted using an external pulse generator. Also, the disadvantage is that the resulting electron emission leads to an increase in the average positive potential at the emitter of the piezoelectric transformer, which necessitates the introduction of an additional emitter of electrons into the design of such a source, which ensures stable generation of a negative sinusoidal voltage at the output end of the piezoelectric transformer.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является «Генератор рентгеновского излучения при деформации пьезоэлектрика в вакууме» (RU № 176453 U1, публ. 19.01.2018 г.), который содержит два пьезоэлемента (пьезоэлектрические кристаллы или пьезоэлектрическая керамика), высоковольтный электрод, два заземленных электрода и два актюатора. Недостатками этого устройства являются: необходимость использования дополнительного электрооборудования, приводящего в действие подвижный актюатор, для обеспечения механического воздействия на пьезоэлементы в вакууме, а также существенные энергетические потери при трансформации механической энергии в энергию рентгеновского излучения, обусловленные дополнительной емкостью центрального электрода и высокой вероятностью возникновения электрических разрядов по боковой поверхности пьезоэлементов.The closest to the proposed device is the "X-ray generator upon deformation of a piezoelectric in vacuum" (RU No. 176453 U1, publ. 01/19/2018), which contains two piezoelectric elements (piezoelectric crystals or piezoelectric ceramics), a high-voltage electrode, two grounded electrodes and two actuators. The disadvantages of this device are: the need to use additional electrical equipment that drives a movable actuator to provide a mechanical effect on piezoelectric elements in a vacuum, as well as significant energy losses during the transformation of mechanical energy into X-ray energy, due to the additional capacity of the central electrode and a high probability of electrical discharges on the lateral surface of the piezoelectric elements.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание устройства, позволяющего генерировать высокоинтенсивное и высокоэнергетическое рентгеновское излучение в широком диапазоне длин волн, путем механического воздействия на пьезоэлементы, с наименьшими потерями энергии в процессе энергетического преобразования. The problem to be solved by the proposed technical solution is to create a device that allows you to generate high-intensity and high-energy X-ray radiation in a wide range of wavelengths, by mechanical action on piezoelectric elements, with the least energy loss in the process of energy conversion.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства – миниатюрного пьезоэлектрического генератора рентгеновского излучения, которое содержит два пьезоэлемента, высоковольтный электрод, причем, устройство дополнительно содержит вакуумную камеру в которой расположены пьезоэлементы, соединенные между собой высоковольтным электродом с присоединенным к нему высоковольтным проводом, зафиксированные прижимными дисками и помещенные в диэлектрический кожух и установленные внутрь каркаса, на котором закреплен рычаг, выполненный в виде соединенных между собой пластин, каждая из которых прикреплена к одному из прижимных дисков, и с возможностью осуществления механического воздействия на пьезоэлементы, кроме того, напротив свободного конца высоковольтного провода установлена мишень, являющаяся источником распространения рентгеновского излучения.The problem is solved with the help of the proposed device - a miniature piezoelectric generator of X-ray radiation, which contains two piezoelectric elements, a high-voltage electrode, and the device additionally contains a vacuum chamber in which there are piezoelectric elements connected to each other by a high-voltage electrode with a high-voltage wire attached to it, fixed by pressure discs and placed in a dielectric casing and installed inside the frame, on which a lever is fixed, made in the form of interconnected plates, each of which is attached to one of the pressure discs, and with the possibility of mechanical action on the piezoelectric elements, in addition, opposite the free end of the high-voltage wire is installed a target that is a source of X-ray propagation.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что для его работы не требуется дополнительный электроприбор для воздействия на пьезоэлементы, что позволяет привести его в действие минимальным усилием. Также в конструкции предлагаемого устройства используется электрод, обладающий меньшей электрической емкостью, что уменьшает потери энергии в процессе генерации рентгеновского излучения и диэлектрический кожух, наличие которого позволяет достичь более высоких значений величины электрического потенциала и, как следствие, граничной энергии рентгеновского излучения при механическом воздействие на пьезоэлементы в вакууме.The proposed device differs from the prototype in that its operation does not require an additional electrical device to act on the piezoelectric elements, which allows it to be driven with a minimum effort. Also, the design of the proposed device uses an electrode with a lower electrical capacity, which reduces energy losses during the generation of X-ray radiation and a dielectric casing, the presence of which allows you to achieve higher values of the electric potential and, as a consequence, the boundary energy of X-ray radiation when mechanically acting on piezoelectric elements in a vacuum.

Технический результат заключается в генерации высокоинтенсивного и высокоэнергетического рентгеновского излучения в широком диапазоне длин волн, с наименьшими потерями механической энергии в процессе ее преобразования в результате механического воздействия на пьезоэлементы.The technical result consists in the generation of high-intensity and high-energy X-ray radiation in a wide range of wavelengths, with the least loss of mechanical energy in the process of its conversion as a result of mechanical action on the piezoelectric elements.

Первое преимущество предлагаемой полезной модели заключается в уменьшении потерь механической энергии при ее трансформации в энергию рентгеновского излучения. Второе преимущество заключается в возможности достижения более высоких энергий генерируемого рентгеновского излучения, за счет использования в конструкции устройства диэлектрического кожуха, в который помещены пьезоэлементы. Третье преимущество заключается в отсутствии необходимости в дополнительном электроприборе для воздействия на пьезоэлементы.The first advantage of the proposed utility model is to reduce the loss of mechanical energy during its transformation into X-ray energy. The second advantage lies in the possibility of achieving higher energies of the generated X-ray radiation due to the use of a dielectric casing in the construction of the device, in which the piezoelectric elements are placed. The third advantage is that there is no need for an additional electrical device to influence the piezoelectric elements.

Полезная модель поясняется чертежом.The utility model is illustrated by a drawing.

Фиг. 1 – функциональная схема устройства.FIG. 1 is a functional diagram of the device.

Устройство состоит из вакуумной камеры 1, двух пьезоэлементов 2, высоковольтного электрода 3, высоковольтного провода 4, двух прижимных дисков 5, диэлектрического кожуха 6, каркаса 7, мишени 8 и рычага 9.The device consists of a vacuum chamber 1, two piezoelements 2, a high-voltage electrode 3, a high-voltage wire 4, two pressure discs 5, a dielectric casing 6, a frame 7, a target 8 and a lever 9.

Вакуумная камера 1 с фланцами, корпус которой заземлен, представляет собой ограниченный объем. Пьезоэлементы 2 изготовлены из пьезоэлектрического материала в виде цилиндров, и соединены между собой через высоковольтный электрод 3, выполненный из металла в форме диска. Пьезоэлементы 2, с расположенным между ними высоковольтным электродом 3, устанавливаются механически последовательно и электрически параллельно, таким образом, чтобы вектор спонтанной поляризации

каждого пьезоэлемента 2 был направлен к высоковольтному электроду 3. Высоковольтный провод 4 представляет собой металлический провод с одной жилой, находящийся в изоляции. Между высоковольтным электродом 3 и высоковольтным проводом 4 обеспечивается электрический контакт методом точечной сварки. Прижимные диски 5, выполненные из металла, позволяют жестко зафиксировать пьезоэлементы 2, с расположенным между ними высоковольтным электродом 3, к которому присоединен высоковольтный провод 4. Диэлектрический кожух 6, внутрь которого помещены зафиксированные прижимными дисками 5 пьезоэлементы 2 и высоковольтный электрод 3 с присоединенным высоковольтным проводом 4, выполнен из диэлектрического материала и предназначен для предотвращения электрических разрядов и для уменьшения величины токов утечек по боковой поверхности пьезоэлементов 2. При этом свободный конец высоковольтного провода 4 должен оставаться вне диэлектрического кожуха 6. Каркас 7, изготовленный из металла, имеет открытые торцы и сквозное прямоугольное отверстие, которое обеспечивает подвод высоковольтного провода 4 к высоковольтному электроду 3 и вывод его свободного конца под прямым углом к центру мишени 8, которая является источником распространения рентгеновского излучения. Рычаг 9, установленный на каркас 7, позволяет осуществлять механическое воздействие на пьезоэлементы 2 и представляет соединенные между собой металлические пластины, каждая из которых прикреплена к одному из прижимных дисков 5 посредством шарнирных соединений. Vacuum chamber 1 with flanges, the body of which is grounded, represents a limited volume. Piezoelectric elements 2 are made of piezoelectric material in the form of cylinders, and are connected to each other through a high-voltage electrode 3 made of metal in the form of a disk. Piezoelectric elements 2, with a high-voltage electrode 3 located between them, are installed mechanically in series and electrically in parallel, so that the vector of spontaneous polarization

each piezoelectric element 2 was directed to the high-voltage electrode 3. The high-voltage wire 4 is a metal wire with one core, which is insulated. Electrical contact is made between the high-voltage electrode 3 and the high-voltage wire 4 by means of spot welding. Clamping discs 5, made of metal, allow rigidly fixing piezoelectric elements 2, with a high-voltage electrode 3 located between them, to which a high-voltage wire is connected 4. Dielectric casing 6, inside which are placed piezoelements 2 fixed by clamping discs 5 and a high-voltage electrode 3 with a high-voltage wire attached 4, is made of a dielectric material and is designed to prevent electrical discharges and to reduce the magnitude of leakage currents along the lateral surface of the piezoelectric elements 2. In this case, the free end of the high-voltage wire 4 must remain outside the dielectric casing 6. The frame 7, made of metal, has open ends and through a rectangular hole that provides a supply of high-voltage wire 4 to high-voltage electrode 3 and output of its free end at a right angle to the center of the target 8, which is a source of X-ray radiation propagation. The lever 9, mounted on the frame 7, allows for mechanical action on the piezoelectric elements 2 and represents interconnected metal plates, each of which is attached to one of the pressure discs 5 by means of hinged joints.

Устройство работает следующим образом. В вакуумную камеру 1 устанавливаются собранные два пьезоэлемента 2 и высоковольтный электрод 3 между ними с присоединенным высоковольтным проводом 4, которые жестко зафиксированы прижимными дисками 5, помещены в диэлектрический кожух 6 и установлены внутрь каркаса 7. При этом свободный конец высоковольтного провода 4 должен оставаться вне диэлектрического кожуха 6. На пьезоэлементы 2 со стороны прижимных дисков 3 оказывается механическое воздействие рычагом 9. Величина механического воздействия определяется вертикальным смещением рычага 9 относительно его первоначального положения, при котором нагрузка на пьезоэлементы 2 равна 0 Н. Максимальная величина нагрузки, приложенной к рычагу 9, не превышает 50 Н, но при этом нагрузка на пьезоэлементы 2 может достигать порядка 1кН. В процессе осуществления механического воздействия на пьезоэлементы 2 на высоковольтном электроде 3 образуется отрицательный заряд, величина которого зависит от прикладываемой нагрузки. На высоковольтном проводе 4, который присоединен к высоковольтному электроду 3, также образуется отрицательный заряд. Свободные электроны с неровностей поверхности свободного конца высоковольтного провода 4 ускоряются в направлении к мишени 8 в сильном электрическом поле, вследствие полевой эмиссии. Взаимодействие свободных электронов с атомами мишени 8 приводит к генерации высокоинтенсивного и высокоэнергетического рентгеновского излучения. При достижении максимальной нагрузки, приложенной к пьезоэлементам 2, генерация рентгеновского излучения не прекращается, ее продолжительность зависит от скорости разрядки высоковольтного провода 4. При необходимости, генерация рентгеновского излучения может быть прекращена мгновенной разрядкой высоковольтного провода 4 за счет его замыкания на землю.The device works as follows. In the vacuum chamber 1 assembled two piezoelectric elements 2 and a high-voltage electrode 3 between them with an attached high-voltage wire 4, which are rigidly fixed by pressure discs 5, placed in a dielectric casing 6 and installed inside the frame 7. In this case, the free end of the high-voltage wire 4 must remain outside the dielectric casing 6. On the piezoelements 2 from the side of the pressure discs 3, a mechanical effect is exerted by the lever 9. The magnitude of the mechanical effect is determined by the vertical displacement of the lever 9 relative to its initial position, at which the load on the piezoelectric elements 2 is 0 N. The maximum load applied to the lever 9 is not exceeds 50 N, but the load on the piezoelectric elements 2 can reach about 1 kN. In the process of performing a mechanical action on the piezoelectric elements 2, a negative charge is formed on the high-voltage electrode 3, the value of which depends on the applied load. A negative charge is also generated on the high-voltage wire 4, which is connected to the high-voltage electrode 3. Free electrons from the surface irregularities of the free end of the high-voltage wire 4 are accelerated towards the target 8 in a strong electric field due to field emission. The interaction of free electrons with target atoms 8 leads to the generation of high-intensity and high-energy X-rays. When the maximum load applied to the piezoelectric elements 2 is reached, the generation of X-rays does not stop, its duration depends on the discharge rate of the high-voltage wire 4. If necessary, the generation of X-rays can be stopped by the instantaneous discharge of the high-voltage wire 4 due to its short to ground.

Пример.Example.

Для осуществления работы предлагаемое устройство размещается в вакуумную камеру 1, давление в которой 10-0,01 мТорр, причем вакуумная камера 1 заземлена. В качестве пьезоэлементов 2 была использована пьезоэлектрическая керамика, изготовленная из материала цирконата-титаната свинца ЦТС-43. Диаметр пьезоэлементов 2 составляет 6,4 мм, высота – 7,5 мм, значение диэлектрической проницаемости находится в диапазоне 1500-2250. К высоковольтному электроду 3, высотой 1 мм и диаметром, равным диаметру пьезоэлементов 2, путем точечной сварки прикреплен высоковольтный провод 4. Высоковольтный провод 4 выполнен из меди и имеет площадь поперечного сечения равную 0,5 мм². Два прижимных диска 5 выполнены из нержавеющей стали, высотой 1 мм и диаметром равным диаметру пьезоэлементов 2. Диэлектрический кожух 6 имеет сквозное отверстие, внутренних диаметр которого равен диаметру пьезоэлементов 2, а внешний порядка 8,4 мм и изготовлен из полипропилена. Каркас 7, изготовленный из нержавеющей стали, имеет длину 35 мм, высоту и ширину около 12 мм, с толщиной стенок порядка 1 мм. Рычаг 9, закрепленный на каркасе 7, представляет соединенные между собой металлические пластины длиной порядка 100 мм, расстояние между которыми составляет 10 мм. Мишень 8, расположенная на расстоянии порядка 3 мм от свободного конца высоковольтного провода 4, выполнена из титановой фольги толщиной порядка 100 мкм. Вертикальное перемещение рычага 9 осуществлялось с помощью механического манипулятора ручного управления. Величина нагрузки, приложенная к рычагу 9, составляла 100 Н (~10кг), но при этом нагрузка на пьезоэлементы 2 достигала порядка 1кН. В результате механического воздействия на пьезоэлементы 2 в течение нескольких секунд, на поверхности высоковольтного электрода 3 и, как следствие, на поверхности высоковольтного провода 4 возникает отрицательный заряд. Таким образом, между высоковольтным проводом 4 и заземленной мишенью 8 образуется сильное электрическое поле. Свободные электроны, ускоренные в электрическом поле, ускоряются в направлении к заземленной титановой мишени 8 и генерируют рентгеновское излучение с граничной энергией около 14 кэВ, тормозясь на ее атомах. Спектр рентгеновского излучения регистрировался полупроводниковым кремниевым детектором Amptek – CdTe123. Общее количество зарегистрированных событий рентгеновского излучения генерируемого при работе устройства в течение 10 секунд составляет 10⁵. To carry out the work, the proposed device is placed in a vacuum chamber 1, the pressure in which is 10-0.01 mTorr, and the vacuum chamber 1 is grounded. Piezoelectric ceramics made of lead zirconate-titanate material TsTS-43 were used as piezoelements 2. The diameter of the piezoelectric elements 2 is 6.4 mm, the height is 7.5 mm, the dielectric constant is in the range of 1500-2250. High-voltage wire 4 is attached to high-voltage electrode 3, 1 mm high and with a diameter equal to the diameter of piezoelements 2, by spot welding. High-voltage wire 4 is made of copper and has a cross-sectional area equal to 0.5 mm ² . Two clamping discs 5 are made of stainless steel, 1 mm high and with a diameter equal to the diameter of the piezoelectric elements 2. The dielectric casing 6 has a through hole, the inner diameter of which is equal to the diameter of the piezoelements 2, and the outer diameter is about 8.4 mm and is made of polypropylene. The frame 7, made of stainless steel, has a length of 35 mm, a height and a width of about 12 mm, with a wall thickness of about 1 mm. The lever 9, fixed on the frame 7, is interconnected metal plates with a length of about 100 mm, the distance between which is 10 mm. The target 8, located at a distance of about 3 mm from the free end of the high-voltage wire 4, is made of titanium foil with a thickness of about 100 μm. The vertical movement of the lever 9 was carried out using a manual mechanical manipulator. The value of the load applied to the lever 9 was 100 N (~ 10 kg), but the load on the piezoelectric elements 2 reached about 1 kN. As a result of mechanical action on the piezoelectric elements 2 for several seconds, a negative charge appears on the surface of the high-voltage electrode 3 and, as a result, on the surface of the high-voltage wire 4. Thus, a strong electric field is generated between the high-voltage wire 4 and the grounded target 8. Free electrons accelerated in an electric field are accelerated towards the grounded titanium target 8 and generate X-rays with a boundary energy of about 14 keV, braking on its atoms. The X-ray spectrum was recorded with an Amptek - CdTe123 semiconductor silicon detector. The total number of registered X-ray radiation events generated during device operation for 10 seconds is 10 ⁵ .

Предлагаемое устройство найдет применение в ускорительной технике для генерации ускоренных пучков заряженных частиц. Также данное устройство может найти применение в промышленной индустрии, например, при выявлении наличия примесей в продукции нефтегазодобывающих компаний. Устройство генерирует рентгеновское излучение с граничной энергией порядка нескольких десятков кэВ, что позволяет его использовать в рентгенотерапии, в частности при диагностике локальных участков поврежденных органов человека.The proposed device will find application in accelerator technology for the generation of accelerated charged particle beams. Also, this device can find application in the industrial industry, for example, when detecting the presence of impurities in the products of oil and gas companies. The device generates X-rays with a boundary energy of the order of several tens of keV, which makes it possible to use it in X-ray therapy, in particular, in the diagnosis of local areas of damaged human organs.

Claims

A miniature piezoelectric X-ray generator containing two piezoelectric elements, a high-voltage electrode, characterized in that it additionally contains a vacuum chamber in which piezoelectric elements are located, connected by a high-voltage electrode with a high-voltage wire attached to it, fixed by pressure discs and placed in a dielectric casing and installed inside a frame on which a lever is fixed, made in the form of interconnected plates, each of which is attached to one of the pressure discs, and with the possibility of mechanical action on the piezoelectric elements, in addition, a target is installed opposite the free end of the high-voltage wire, which is a source of X-ray radiation propagation ...