CZ305429B6 - X-ray radiator and/or accelerator of electrically charged particles - Google Patents
X-ray radiator and/or accelerator of electrically charged particles Download PDFInfo
- Publication number
- CZ305429B6 CZ305429B6 CZ2009-424A CZ2009424A CZ305429B6 CZ 305429 B6 CZ305429 B6 CZ 305429B6 CZ 2009424 A CZ2009424 A CZ 2009424A CZ 305429 B6 CZ305429 B6 CZ 305429B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- electrically charged
- nanoelements
- electrodes
- charged particle
- ray emitter
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Oblast technikyTechnical field
Vynález se týká rentgenového zářiče a/nebo urychlovače elektricky nabitých částic, který obsahuje dvojici elektrod, mezi nimiž je vytvořeno elektrické pole o vysoké intenzitě, přičemž jedna z elektrod obsahuje nanoelementy s alespoň jedním rozměrem menším než jeden mikrometr.The invention relates to an X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator comprising a pair of electrodes between which a high intensity electric field is formed, one of the electrodes comprising nanoelements with at least one dimension less than one micrometer.
Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION
Rentgenové záření je ionizační elektromagnetické záření o vysoké energii (10 až 103 keV),X-rays are high energy ionizing electromagnetic radiation (10 to 10 3 keV),
1A 9Π β 19 vysoké frekvence (3x10 až 3x10 Hz) a velmi nízké vlnové délce (10' až 10' m), které se v současné době průmyslově využívá zejména pro neinvazivní či nedestruktivní sledování vnitřní struktury předmětů z různých materiálů, včetně lidského či zvířecího těla.1A 9Π β 19 high frequency (3x10 to 3x10 Hz) and very low wavelength (10 'to 10' m), which is currently used industrially mainly for non-invasive or non-destructive monitoring of the internal structure of objects made of various materials, including human or animal body.
Pro vytvoření tzv. „měkkého“ rentgenového záření vhodného pro medicínské aplikace se používá tzv. „rentgenka“, což je elektronka, v jejímž vnitřním prostoru, v němž je vytvořeno vakuum, jsou proti sobě umístěny katoda a anoda, mezi kterými vzniká elektrické pole o vysoké intenzitě. Katoda je během provozu žhavena samostatným žhavicím obvodem, v důsledku čehož se z ní termoemisí uvolňují elektrony, které jsou silovým působením elektrického pole urychlovány a přitahovány k anodě. V důsledku vysoké intenzity elektrického pole získávají tyto elektrony velmi vysokou kinetickou energii, takže při nárazu na anodu vyráží z jejích atomů další elektrony. Při nahrazování těchto vyražených elektronů pak dochází k emitování fotonů rentgenového záření. Zbývající kinetická energie elektronů zarážejících na anodu se mění na tepelnou energii, což vyžaduje intenzivní chlazení anody chladicím médiem, nebo její rotací.To create so-called "soft" X-rays suitable for medical applications, the so-called "X-ray tube" is used, which is the vacuum tube inside which the cathode and the anode are placed opposite each other. high intensity. The cathode is heated during operation by a separate heating circuit, as a result of which the thermo-emission releases electrons which are accelerated and attracted to the anode by the force of the electric field. Due to the high intensity of the electric field, these electrons acquire very high kinetic energy, so that when they strike the anode, further electrons emit from its atoms. When replacing these embossed electrons, X-ray photons are emitted. The remaining kinetic energy of the electrodes striking the anode is converted to thermal energy, which requires intensive cooling of the anode or cooling of the anode.
Nevýhodou rentgenek je jejich složitá, nákladná a současná křehká konstrukce, a také vysoké pořizovací i provozní náklady zařízení, v nichž se používají.The disadvantages of X-ray tubes are their complex, expensive and contemporary fragile construction, as well as the high purchase and operating costs of the equipment in which they are used.
Při vytváření tzv. „tvrdého“ rentgenového záření (tj. rentgenového záření s vlnovou délkou pod 10'l° m), které se uplatňuje zejména v technické defektoskopii, se pro urychlení elektronů využívají různé typy urychlovačů elektricky nabitých částic, nejčastěji tzv. „betatrony“. Urychlené elektrony pak slouží k emitaci fotonů rentgenového záření podobným způsobem jako je tomu u rentgenky.When creating so-called "hard" X-rays (ie X-rays with wavelength below 10'1 ° m), which is used mainly in technical defectoscopy, various types of electrically charged particle accelerators are used to accelerate electrons, most often so-called "betatrons"". Accelerated electrons are then used to emit X-ray photons in a similar way to X-rays.
Nevýhodou stávajících urychlovačů elektricky nabitých částic jsou však jejich vysoké pořizovací i provozní náklady, stejně jako jejich velké rozměry a vysoká hmotnost, která mj. omezuje či dokonce vylučuje možnosti jejich využití ve stávajících budovách.However, the disadvantage of existing electrically charged particle accelerators is their high purchase and operating costs, as well as their large dimensions and high weight, which, among other things, limits or even excludes the possibility of their use in existing buildings.
Cílem vynálezu je navrhnout rentgenový zářič a/nebo urychlovač elektricky nabitých částic, který by odstranil nevýhody stavu techniky.It is an object of the present invention to provide an X-ray emitter and / or accelerator for electrically charged particles to overcome the disadvantages of the prior art.
Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION
Cíle vynálezu je dosaženo rentgenovým zářičem a/nebo urychlovačem elektricky nabitých částic, který obsahuje dvojici elektrod, mezi nimiž je vytvořeno elektrické pole o vysoké intenzitě, přičemž jedna z elektrod obsahuje nanoelementy s alespoň jedním rozměrem menším než jeden mikrometr, jehož podstata spočívá v tom, že alespoň elektroda obsahuje nanoelementy je uspořádána v prostoru s atmosférou vzduchu, plynu nebo směsi plynů. Intenzita elektrického pole v bezprostřední blízkosti elektrody s nanoelementy přitom díky rozměrům těchto nanoelementů dosahuje lokálních hodnot v řádu až GV/m, a to i v případě, že jsou tyto nanoelementy vytvořeny z elektricky nevodivého materiálu, a v řádu až TV/m v případě, kdy jsou použité nanoelementyThe object of the invention is achieved by an X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator comprising a pair of electrodes between which a high intensity electric field is formed, one of the electrodes comprising nanoelements with at least one dimension smaller than one micrometer. wherein at least the electrode comprises nanoelements is arranged in a space with an atmosphere of air, gas or gas mixture. The electric field intensity in the immediate vicinity of the electrode with nanoelements, thanks to the dimensions of these nanoelements, reaches local values in the order of GV / m, even if these nanoelements are made of electrically non-conductive material, and in the order of TV / m nanoelements are used
- 1 CZ 305429 B6 elektricky vodivé, kovové nebo alespoň pokovené, v důsledku čehož dochází k silné ionizaci okolního vzduchu/plynu, přičemž vznikající ionty a/nebo jiné elektricky nabité částice, např. elektrony, jsou působením elektrického pole urychlovány směrem k protielektrodě. Při svém pohybu pak kolidují s částicemi okolního vzduchu a/nebo s atomy protielektrody, přičemž dochází k přeměnám kinetické energie urychlených iontů a/nebo jiných elektricky nabitých částic na jiné formy energie, což je doprovázeno také emitací fotonů rentgenového záření.Electrically conductive, metal or at least metallized, resulting in strong ionization of the surrounding air / gas, whereby the ions and / or other electrically charged particles, e.g. electrons, are accelerated by the electric field towards the counter electrode. As they move, they collide with ambient air particles and / or counter-electrode atoms, transforming the kinetic energy of the accelerated ions and / or other electrically charged particles into other forms of energy, which is also accompanied by the emission of X-ray photons.
V jiné variantě rentgenového zářiče a/nebo urychlovače elektricky nabitých částic podle vynálezu je elektroda obsahující nanoelementy svými nanoelementy uspořádaná proti druhé z elektrod, přičemž elektrické pole vytvořené mezi elektrodami je orientované směrem k elektrodě obsahující nanoelementy. Emitace fotonů rentgenového záření je přitom způsobena výhradně dopadem elektrickým polem urychlených iontů a/nebo jiných elektricky nabitých částic na nanoelementy elektrody. I v této variantě rentgenového zářiče a/nebo urychlovače elektricky nabitých části jsou elektrody uspořádány v prostoru s atmosférou vzduchu, plynu nebo směsi plynů, avšak mohou být uspořádány také v prostoru, v němž je vytvořeno vakuum, a který je propojen se zdrojem elektricky nabitých částic. V poslední variantě se přitom dosáhne nejvyššího výkonu.In another variation of the X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator according to the invention, the nanoelement-containing electrode is opposed by its nanoelements against the other of the electrodes, the electric field formed between the electrodes being oriented towards the nanoelement-containing electrode. The emission of X-ray photons is caused solely by the electric field of the accelerated ions and / or other electrically charged particles on the nanoelements of the electrode. Also in this variant of the X-ray emitter and / or accelerator of the electrically charged portion, the electrodes are arranged in a space with an atmosphere of air, gas or gas mixture, but may also be arranged in a vacuum-forming space connected to a source of electrically charged particles. . In the last variant, the highest performance is achieved.
V případě, kdy je elektroda/elektrody rentgenového zářiče a/nebo urychlovače elektricky nabitých částic situována v prostoru s atmosférou vzduchu, plynu nebo směsi plynů, má tato atmosféra s výhodou normální tlak, teplotu a vlhkost. Pro regulaci výkonu rentgenového zářiče a/nebo urychlovače elektricky nabitých částic je však výhodné, pokud je jeho elektroda/elektrody situovány v prostoru s nastavitelným tlakem a/nebo teplotou a/nebo vlhkostí a/nebo složením atmosféry.Where the electrode (s) of the X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator are situated in an atmosphere with an air, gas or gas mixture atmosphere, the atmosphere preferably has normal pressure, temperature and humidity. However, for controlling the power of an X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator, it is preferable that its electrode (s) is located in an adjustable pressure and / or temperature and / or humidity and / or atmospheric composition space.
Z technologického hlediska je v obou variantách rentgenového zářiče a/nebo urychlovače elektricky nabitých částic výhodné, pokud jsou nanoelementy tvořeny nanovlákny, neboť jejich výroba v průmyslovém měřítku je v současné době nejjednodušší, nejlevnější a nejméně zatěžující životní prostředí. Nanovlákna během ní navíc vytváří relativně soudržnou vrstvu, což značně usnadňuje manipulaci s nimi, případně jejich dávkování, atd.From a technological point of view, in both variations of an X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator, it is advantageous if nanoelements are made up of nanofibres, since their production on an industrial scale is currently the simplest, cheapest and least burdensome environment. In addition, nanofibres form a relatively cohesive layer during this process, which greatly facilitates handling, dosing, etc.
Kromě nanovláken však lze jako nanoelementy využít uhlíkové nanotrubice, jejichž největší výhoda spočívá v jejich elektrické vodivosti. S dobrými výsledky lze použít také nanočástice elektricky vodivých i nevodivých materiálů.In addition to nanofibres, however, carbon nanotubes can be used as nanoelements, the greatest advantage of which is their electrical conductivity. Nanoparticles of both electrically conductive and non-conductive materials can also be used with good results.
Různé typy nanoelementů lze přitom s výhodou vzájemně kombinovat pro dosažení vhodných lokálních hodnot intenzity elektrického pole, přičemž z tohoto hlediska se jako nejefektivnější jeví nanovlákna s „naroubovanými“ nanotrubicemi a/nebo nanočásticemi uloženými na jejich povrchu.Different types of nanoelements can be advantageously combined with each other to achieve suitable local values of electric field intensity, and in this respect nanofibres with "grafted" nanotubes and / or nanoparticles deposited on their surface appear to be the most effective.
Dalším způsobem regulace výkonu rentgenového zářiče a/nebo urychlovače elektricky nabitých částic podle vynálezu je uspořádání jeho elektrod vzájemně přestavitelně ve směru k sobě a od sebe, neboť intenzita elektrického pole roste s klesající vzdáleností elektrod a naopak.Another method of controlling the power of the X-ray emitter and / or accelerator of the electrically charged particles of the invention is to arrange its electrodes in an adjustable and mutually direction relative to each other as the electric field strength increases with decreasing electrode spacing and vice versa.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Na přiloženém výkrese je schematicky znázorněn rentgenový zářič a/nebo urychlovač elektricky nabitých částic podle vynálezu, přičemž obr. 1 značí teoretický příklad provedení tohoto rentgenového zářiče a/nebo urychlovače elektricky nabitých částic s protielektrodou tvořenou jedním nanovláknem, obr. 2 reálný příklad provedení rentgenového zářiče a/nebo urychlovače elektricky nabitých částic s protielektrodou tvořenou vrstvou nanovláken uloženou na nosné desce, obr. 3 reálný příklad provedení rentgenového zářiče a/nebo urychlovače elektricky nabitých částic, jehož elektrody nejsou uspořádány rovnoběžně, a obr. 4 řez zařízením pro sterilizaci plynů využívající dvojici rentgenových zářičů a/nebo urychlovačů elektricky nabitých částic podle vynálezu.The attached drawing shows schematically an X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator according to the invention, and Fig. 1 shows a theoretical example of an X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator with a single nanofiber counter electrode; and / or an electrically charged particle accelerator with a counter electrode consisting of a layer of nanofibres deposited on a support plate, FIG. 3 is a real example of an embodiment of an X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator whose electrodes are not arranged in parallel; X-ray emitters and / or electrically charged particle accelerators according to the invention.
-2CZ 305429 B6-2GB 305429 B6
Příklad uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Na obr. 1 je znázorněn rentgenový zářič a/nebo urychlovač 1 elektricky nabitých částic podle vynálezu, který obsahuje plošnou elektrodu 2 a proti ní, ve vzdálenosti c, uspořádanou protielektrodu 3 tvořenou jedním nanovláknem o průměru 2r. Protielektroda 3 je po celé délce rovnoběžná s plošnou elektrodou 2. Plošná elektroda 2 je propojena s jedním pólem zdroje 4 vysokého stejnosměrného napětí U a protielektroda 3 je propojena s opačným pólem tohoto zdroje 4. Díky tomu se mezi plošnou elektrodou 2 a protielektrodou 3 indukuje elektrické pole, jehož intenzita E dosahuje maximální hodnoty na části povrchu protielektrody 3, která je nejblíže k plošné elektrodě 2. Její hodnotu lze vyjádřit např. vztahem:Fig. 1 shows an X-ray emitter and / or accelerator 1 of electrically charged particles according to the invention, which comprises a flat electrode 2 and opposed thereto, at a distance c, a counterelectrode 3 formed by a single nanofiber with a diameter 2r. The counter electrode 3 is parallel to the surface electrode 2 over its entire length. The surface electrode 2 is connected to one pole of the high-voltage direct current source 4 and the counter electrode 3 is connected to the opposite pole of this source 4. This induces electrical induction between the surface electrode 2 and counterelectrode 3. a field whose intensity E reaches the maximum value on the part of the surface of the counterelectrode 3 closest to the surface electrode 2. Its value can be expressed, for example, by:
^Jl + p+jl + p (1).^ 1 + p + 1 + p (1).
kde p = r/c.where p = r / c.
Hodnotu intenzity E je tedy možné měnit změnou vzdálenosti c mezi plošnou elektrodou 2 a protielektrodou 3, změnou napětí U přiváděného na plošnou elektrodu 2 a na protielektrodou 3 a změnou podílu průměru 2r protielektrody 3 vůči její vzdálenosti c od plošné elektrody 2.Thus, the intensity value E can be varied by changing the distance c between the electrode 2 and the counter electrode 3, changing the voltage U applied to the electrode 2 and the counter electrode 3, and changing the proportion of diameter 2r of the counter electrode 3 to its distance c from the electrode 2.
Pro malé hodnoty p, tedy pro r «c, je pak možné tento vztah zapsat jakoFor small values of p, ie for r «c, this relation can then be written as
E_E_
Ed E d
P Inp = Zz (2).P Inp = Z of (2).
Zlomek c/U na levé straně vztahu (2) má význam obrácené hodnoty intenzity elektrického pole Ed v ideálním deskovém kondenzátoru při napětí U a vzdálenosti dvou stejných desek tohoto kondenzátoru c. Proto pravá strana vtahu (1) bez zlomku U/c a pravá strana vtahu (2) představují zesilovací faktor Zf. Tato veličina je nazvána zesilovacím faktorem Zf proto, že intenzita E elektrického pole vytvořeného mezi plošnou elektrodou 2 a protielektrodou 3 tvořenou jedním nanovláknem má na části povrchu protielektrody 3, která je nejblíže plošné elektrodě 2, hodnotu intenzity Ed, kterou by mělo, při stejném napětí U a vzdálenosti c dvou stejných desek, elektrické pole deskového kondenzátoru, vynásobenou zesilovacím faktorem Zf, tj. E = Edx Zf. Například pro napětí U=20xl03V a vzdálenost c mezi plošnou elektrodou 2 a protielektrodou 3 c=2xl0'1m a velikost poloměru nanovlákna r=2xl0‘9m, je možno teoreticky dosáhnout lokální hodnoty intenzity E=0,5TV/m.The fraction c / U on the left side of the equation (2) has the meaning of the inverse of the electric field intensity E d in the ideal plate capacitor at voltage U and the distance of two equal plates of this capacitor c. in flux (2) represent the amplification factor Z f . This quantity is called the gain factor of F because the intensity E of electric field created between the planar electrode 2 and counter electrode 3 is formed of a single nanofiber has a surface portion of the counter electrode 3 which is closest to the planar electrode 2, an intensity value E d, which should be at the same voltage U and the distance c of two identical plates, the electric field of the plate capacitor multiplied by the amplification factor Z f , ie E = E d x Zf. For example, for the voltage U = 20x10 3 V and the distance c between the surface electrode 2 and the counter electrode 3 c = 2x10 -1 and m of the nanofiber radius r = 2x10 9 m, the local intensity value E = 0.5TV / m can theoretically be achieved.
Vlivem tohoto zesílení, které je způsobeno zejména malým poloměrem r nanovlákna tvořícího protielektrodu 3, dosahuje intenzita E elektrického pole v bezprostřední blízkosti protielektrody 3 mimořádně vysokých lokálních hodnot, při kterých dochází k silné ionizaci okolního vzduchu. Vznikající ionty a/nebo jiné elektricky nabité částice, např. elektrony, jsou přitom působením elektrického pole urychlovány směrem k protielektrodě 3, a i na velmi krátkých drahách (obvykle 10 až 100 nm) získávají velmi vysokou kinetickou energii. Při stejném pohybu přitom kolidují s částicemi okolního vzduchu a/nebo s atomy protielektrody 3, přičemž při těchto kolizích dochází k přeměnám kinetické energie urychlených iontů a/nebo jiných elektricky nabitých částic na jiné formy energie, což je doprovázeno také emitací fotonů rentgenového záření.Due to this amplification, which is caused in particular by the small radius r of the nanofiber forming the counterelectrode 3, the electric field intensity E in the immediate vicinity of the counterelectrode 3 achieves extremely high local values at which the ionization of the ambient air is strongly ionized. The resulting ions and / or other electrically charged particles, for example electrons, are accelerated by the electric field towards the counter electrode 3, and they obtain very high kinetic energy even on very short paths (usually 10 to 100 nm). In the same movement, they collide with ambient air particles and / or counter electrode atoms 3, during which collisions transform the kinetic energy of the accelerated ions and / or other electrically charged particles into other forms of energy, which is also accompanied by the emission of X-ray photons.
Vzhledem k tomu, že získání jediného samostatného nanovlákna je technicky poměrně složité, ne-li nemožné, využívá se v praktických aplikacích rentgenového zářiče a/nebo urychlovače 1 elektricky nabitých částic protielektroda 31, která obsahuje vrstvu 310 nanovláken uloženou na nosné desce 311 z elektricky vodivého materiálu. Nosná deska 311 přitom zajišťuje umístěníSince obtaining a single single nanofiber is technically rather difficult, if not impossible, in practical applications of an X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator 1, a counter electrode 31 is provided which includes a nanofiber layer 310 deposited on an electrically conductive support plate 311. material. The support plate 311 secures the positioning
-3 CZ 305429 B6 vrstvy 310 nanovláken v požadované vzdálenosti c od plošné elektrody 2, a současně vodivé propojení vrstvy 310 nanovláken se zdrojem vysokého napětí 4.At the same time, the conductive connection of the nanofiber layer 310 to the high voltage source 4.
Jakje zřejmé z výše uvedeného, pro správnou funkci rentgenového zářiče a/nebo urychlovače I elektricky nabitých částic je nutné, na rozdíl např. od „rentgenek“ známých ze stavu techniky, aby se v blízkosti protielektrody 3 nacházel vzduch, případně jiný vhodný plyn či směs plynů schopná ionizace. Pro praktický provoz s požadavkem regulace parametrů emitovaného rentgenového záření je přitom výhodné, pokud lze řídit nebo nastavit alespoň některé parametry vzduchu (plynu nebo směsi plynů) v blízkosti protielektrody 31, zejména jeho tlak a/nebo teplotu a/nebo vlhkost a/nebo aktuální chemické složení, neboť tyto parametry přímo ovlivňují parametry elektrického pole, a tedy i parametry emitovaného rentgenového záření.As is apparent from the foregoing, for the X-ray emitter and / or accelerator I of the electrically charged particles to function properly, it is necessary, in contrast to, for example, X-ray tubes known in the art, to have air or other suitable gas or mixture near the counterelectrode. gases capable of ionization. For practical operation requiring control of the parameters of the emitted X-rays, it is advantageous if at least some parameters of the air (gas or gas mixture) in the vicinity of the counter electrode 31, in particular its pressure and / or temperature and / or humidity and / or actual chemical composition, since these parameters directly affect the parameters of the electric field and hence the parameters of the emitted X-rays.
V příkladech provedení znázorněných na obr. 1 a obr. 2 jsou použita polymemí, elektricky nevodivá nanovlákna připravená elektrostatickým zvlákňováním, avšak v dalších příkladech provedení jsou namísto nich použita elektricky nevodivá nanovlákna připravená jiným způsobem, případně i z jiného materiálu. Díky polarizaci elektricky nevodivého materiálu nanovláken se tato nanovlákna chovají v elektrickém poli podobným způsobem, jako kdyby se jednalo o elektricky vodivá nanovlákna, takže na části jejich povrchu přivrácené k plošné elektrodě 2 dochází k požadované koncentraci elektrického pole a k dosažení požadovaných hodnot intenzity E elektrického pole způsobujících ionizaci vzduchu (plynu, nebo směsi plynů) v blízkosti protielektrody 31.In the embodiments shown in Figs. 1 and 2, polymeric, non-conductive nanofibres prepared by electrostatic spinning are used, but in other embodiments, non-electrically non-conductive nanofibres prepared in another way or alternatively from another material are used instead. Due to polarization of electrically non-conductive nanofiber material, these nanofibres behave in electric field in a similar way as if they were electrically conductive nanofibres, so that on the part of their surface facing the electrode 2 the required electric field concentration occurs and the required electric field intensity E ionization of air (gas or gas mixture) near the counter electrode.
Výhody použití polymemích nanovláken jsou dány zejména jejich dobrou dostupností, neboť elektrostatické zvlákňování polymemích roztoků, prováděné např. s využitím zvlákňovací elektrody dle WO 2005024101 či dle WO 2008028428, aj., je nejdostupnějším a nejlepším způsobem masové přípravy nanoelementů s alespoň jedním rozměrem menším než 1 mikrometr, jejich využití je pro rentgenový zářič a/nebo urychlovač 1 elektricky nabitých částic klíčové, jak vyplývá z výše uvedených vztahů (1) a (2). Při elektrostatickém zvlákňování se navíc vytváří relativně soudržná a rovnoměrná vrstva polymemích nanovláken, což usnadňuje manipulaci s nanovlákny, jejich rozložení na nosné desce 311, atd. Další výhodou polymemích nanovláken je i to, že při elektrostatickém zvlákňování dochází kjejich sterilizaci, neboť se při něm emituje malé množství rentgenového záření, jehož energie je dostatečná pro eliminaci mikrobů a jiných choroboplodných zárodků, takže rentgenový zářič a/nebo urychlovač i elektricky nabitých částic podle vynálezu lze bez dalšího použití i pro aplikace, které vyžadují použití sterilního materiálu.Advantages of using polymer nanofibres are given especially by their good availability, because electrostatic spinning of polymer solutions, performed eg using spinning electrode according to WO 2005024101 or according to WO 2008028428 etc. is the most accessible and best way of mass preparation of nanoelements with at least one dimension smaller than 1. micrometer, their use being crucial for the x-ray emitter and / or the accelerator 1 of the electrically charged particles, as is evident from the above relationships (1) and (2). In addition, electrostatic spinning creates a relatively cohesive and uniform layer of polymer nanofibres, which facilitates handling of nanofibres, their distribution on the carrier plate 311, etc. Another advantage of polymer nanofibres is that they are sterilized by electrospinning because they emit a small amount of X-rays, the energy of which is sufficient to eliminate microbes and other germs, so that the X-ray emitter and / or accelerator of the electrically charged particles of the invention can be used without further use for applications requiring the use of sterile material.
Vyšších hodnot intenzity E elektrického pole mezi plošnou elektrodou 2 a protielektrodou 31 se však dosáhne, a to i bez nutnosti zvyšování napětí U zdroje 4 stejnosměrného napětí, při použití elektricky vodivých nanoelementů - kovových, nebo alespoň pokovených nanovláken, případně uhlíkových nanotrubic.However, higher values of the electric field intensity E between the surface electrode 2 and the counterelectrode 31 are achieved, even without the need to increase the voltage U of the DC voltage source 4, using electrically conductive nanoelements - metal or at least metallised nanofibres or carbon nanotubes.
Vzhledem ktomu, že vztahy (1) a (2), a výše uvedené principy platí obecně pro libovolné objekty, na které je přivedeno vysoké napětí, je zřejmé, že pro dosažení hodnot intenzity E elektrického pole, které zaručují ionizaci vzduchu (plynu, směsí plynů) v blízkosti protielektrody 31, lze namísto nanovláken, případně nanotrubic, použít se stejnými nebo podobnými výsledky také jiné nanoelementy s alespoň jedním rozměrem menším než 1 mikrometr, například nanočástice, a to jak elektricky vodivé, tak i elektricky nevodivé, případně jejich směs.Since relations (1) and (2), and the above principles apply in general to any high-voltage objects, it is clear that in order to achieve the electric field intensity values E, which ensure ionization of air (gas, mixtures) In the vicinity of the counter electrode 31, other nanoelements with at least one dimension less than 1 micron, for example nanoparticles, both electrically conductive and electrically non-conductive, or a mixture thereof, can be used with the same or similar results.
Jak prokázaly dosud provedené experimenty, různé druhy nanoelementů lze s výhodou kombinovat pro dosažení vhodných lokálních hodnot intenzity E elektrického pole, přičemž s dobrými výsledky jsou použitelná nanovlákna na jejichž površích jsou uloženy nanočástice, případně tzv. „naroubovány“ uhlíkové nanotrubice, které slouží jako koncentrátory intenzity E elektrického pole.As the experiments carried out so far have shown, different types of nanoelements can be advantageously combined to achieve suitable local values of electric field E intensity, with good results being usable nanofibres on the surfaces of which nanoparticles are deposited or "grafted" carbon nanotubes, which serve as concentrators intensity of electric field.
V dalším výhodném, neznázoměném příkladu provedení obsahuje nanoelementy, jejich alespoň jeden rozměr je menší než 1 mikrometr, protielektroda 31 a současně i plošná elektroda 2. Malé rozměry nanoelementů přitom v kombinaci s malou vzájemnou vzdáleností c mezi plošnou elek-4CZ 305429 B6 trodu 2 a protielektrodou 31 umožňují vznik elektrického pole s dostatečnou vysokou intenzitou E, i při použití výrazně nižšího napětí U. To značně snižuje nároky na použitý zdroj 4 stejnosměrného napětí, a tedy i na jednu z nákladově nej významnějších částí celého zařízení.In another preferred embodiment (not shown), the nanoelements, at least one dimension of which is less than 1 micrometer, have a counterelectrode 31 and at the same time a surface electrode 2. The small dimensions of the nanoelements in combination with a small mutual distance c between the surface electrode. counter electrode 31 allows the generation of an electric field with a sufficiently high intensity E, even when using a considerably lower voltage U. This greatly reduces the demands on the DC voltage source 4 used, and thus on one of the most costly parts of the device.
Jak již bylo uvedeno výše, důležitou podmínkou pro vytváření iontů a/nebo jiných elektricky nabitých částic a následnou emitaci rentgenového záření, je přítomnost vzduchu (plynu, nebo směsi plynů) v blízkosti protielektrody 31. Pro některé aplikace je však výhodnější, pokud je mezi plošnou elektrodou 2 a protielektrodou 31 vytvořeno vakuum, a ionty a/nebo jiné elektricky nabité částice jsou do prostoru mezi elektrodami přiváděny z neznázoměného, samostatného zdroje. Tyto ionty a/nebo jiné elektricky nabité částice jsou přitom elektrickým polem mezi plošnou elektrodou 2 a protielektrodou 31 urychlovány směrem k protielektrodě 31, přičemž k emitaci rentgenového záření dochází výhradně v souvislosti sjejich dopadem na protielektrodu 3T Toto provedení je schematicky znázorněno na obr. 3, přičemž jeho jednotlivé prvky jsou shodné s provedením znázorněným na obr. 2. Rozdílem je, že protielektroda 31 je s výhodou vychýlena z polohy rovnoběžné vůči plošné elektrodě 2, čímž je dosaženo vhodného směrování emitovaného rentgenového záření. Jak je znázorněno šipkou A, ionty a/nebo jiné elektricky nabité částice dopadají na protielektrodu 31 pod nenulovým úhlem a, přičemž fotony rentgenového záření emitované materiálem protielektrody 31 se pohybují od protielektrody 31 v požadovaném směru pod nenulovým úhlem a‘ stejné velikosti (šipky B). Vychýlení protielektrody 31 však není pro funkci zařízení nezbytné, a protielektroda 31 je v dalších neznázoměných příkladech provedení rovnoběžná s plošnou elektrodou 2. V jiných neznázoměných příkladech provedení je naopak vychýlení protielektrody 31 z polohy rovnoběžné s plošnou elektrodou 2 využito pro směrování emitovaného rentgenového záření, i pokud je mezi elektrodami 2 a 31 vzduch či jiný plyn, nebo směs plynů.As mentioned above, an important condition for the generation of ions and / or other electrically charged particles and the subsequent emission of X-rays is the presence of air (gas or gas mixture) near the counter electrode 31. However, for some applications it is preferable a vacuum is created by the electrode 2 and the counter electrode 31, and the ions and / or other electrically charged particles are fed into the space between the electrodes from a separate source (not shown). These ions and / or other electrically charged particles are thereby accelerated by the electric field between the surface electrode 2 and the counterelectrode 31 towards the counterelectrode 31, whereby the X-ray emission occurs solely in connection with their impact on the counterelectrode 3T. its individual elements being identical to the embodiment shown in Fig. 2. The difference is that the counterelectrode 31 is preferably deflected from a position parallel to the planar electrode 2, thereby achieving a suitable direction of the emitted X-rays. As shown by arrow A, ions and / or other electrically charged particles impinge on the counter electrode 31 at a non-zero angle α, wherein the X-ray photons emitted by the counter electrode material 31 move from the counter electrode 31 in the desired direction at a non-zero angle α of the same size (arrows B). . However, the deflection of the counter electrode 31 is not necessary for the operation of the device, and the counter electrode 31 is parallel to the electrode 2 in other embodiments (not shown). if there is air or other gas between the electrodes 2 and 31, or a gas mixture.
Vhodným kompromisem mezi použitím vakua a naopak vzduchu (plynu, nebo směsi plynů) je umístění protielektrody 31 do prostředí se vzduchem (plynem, směsí plynů) s tlakem nižším než je atmosférický tlak. Tím se sníží počet kolizí urychlovaných iontů a/nebo jiných elektricky nabitých částic s atomy vzduchu (plynu, nebo směsi plynů), a naopak zvýší počet jejich kolizí s nanoelementy protielektrody 3T V důsledku toho se zvýší také množství a intenzita emitovaného rentgenového záření.A suitable compromise between using vacuum and vice versa air (gas or gas mixture) is to place the counter electrode 31 in an air (gas, gas mixture) environment with a pressure lower than atmospheric pressure. This reduces the number of collisions of accelerated ions and / or other electrically charged particles with air atoms (gas or gas mixtures), and conversely increases the number of their collisions with nanoelements of the counter electrode 3T. As a result, the amount and intensity of X-rays emitted also increase.
U všech výše popisovaných příkladů provedení je výhodné, nikoliv však nezbytné, pokud jsou plošná elektroda 2 a protielektroda 31 uspořádány vzájemně přestavitelně ve směru k sobě a od sebe, neboť, jak vyplývá ze vztahů (1) a (2), prostřednictvím změny jejich vzájemné vzdálenosti c lze významně regulovat velikost zesilovacího faktoru Zf, a zprostředkovaně tedy i intenzitu E elektrického pole.In all the embodiments described above, it is preferable, but not necessary, that the surface electrode 2 and the counterelectrode 31 are displaceably disposed relative to and away from each other, since, as is apparent from relations (1) and (2), distance c, it is possible to significantly control the magnitude of the amplification factor Z f and hence also the intensity E of the electric field.
Podstata vynálezu se neomezuje pouze na popsané a znázorněné příklady provedení, ale i na principiálně stejná řešení lišící se tvarovým řešením jednotlivých elektrod 2 a 31. Ty mají v dalších neznázoměných příkladech provedení např. tvar soustředných koulí, souosých válců, či jiných geometrických těles, mezi jejich stěnami je vytvořena mezera konstantní velikosti.The principle of the invention is not limited to the described and illustrated embodiments, but also to principally the same solutions differing in the shape of the individual electrodes 2 and 31. These have, for example, concentric spheres, coaxial cylinders or other geometric bodies between their walls create a gap of constant size.
Vedle vytváření tzv. „měkkého“ a „tvrdého“ rentgenového záření určeného pro medicínské, nebo technické aplikace, je rentgenový zářič a/nebo urychlovač elektricky nabitých částic podle vynálezu využitelný i v dalších aplikacích, např. pro sterilizaci plynů. Na obr. 4 je znázorněno zařízení 5 určené ke sterilizaci plynů, v jehož pouzdru 6 jsou umístěny dvě rovnoběžné, uzemněné elektrody 7, které jsou, např. díky perforaci průchozí pro sterilizovaný plyn. Mezi elektrodami 7 je rovnoběžně umístěna protielektroda 8, průchozí pro sterilizovaný plyn, která je propojená se zdrojem 4 vysokého napětí. Protielektroda 8 je tvořena nosnou deskou 81, která je na obou svých plochách opatřena vrstvou 82 nanoelementů s alespoň jedním rozměrem menším než 1 mikrometr, takže s každou z uzemněných elektrod 7 vytváří rentgenový zářič a/nebo urychlovač 1 elektricky nabitých částic podle vynálezu. Emitované rentgenové záření přitom eliminuje mikroorganismy či jiné choroboplodné zárodky nacházející se ve sterilizovaném plynu. Sterilizovaný plyn prochází znázorněným provedením zařízení 5 pro sterilizaci plynů v osovém směru naznače-5CZ 305429 B6 ném šipkou C, takže podstupuje dvě rovnocenné fáze sterilizace. Avšak při dostatečné energii emitovaného rentgenového záření (cca od lOeV) postačuje k dobré sterilizaci plynu pouze jedna fáze sterilizace, takže při příslušné konstrukční úpravě pouzdra 6 a použití neprodyšných elektrod 7, prochází sterilizovaný plyn zařízením 5 pro sterilizaci v kolmém směru naznačeném šipkami D. Protielektroda 8 přitom může být vytvořena jako prostupná pro filtrovaný plyn či nikoliv.In addition to the generation of so-called "soft" and "hard" X-rays intended for medical or technical applications, the X-ray emitter and / or accelerator of the electrically charged particles according to the invention can also be used in other applications, eg gas sterilization. FIG. 4 shows a device 5 for sterilizing gases, in the housing 6 of which two parallel, grounded electrodes 7 are located, which are, for example, passable for sterilized gas due to perforation. Between the electrodes 7, a counter-electrode 8, passing through for the sterilized gas, is connected in parallel to the high-voltage source 4. The counter electrode 8 is formed by a carrier plate 81 which is provided on both its surfaces with a layer of nanoelements 82 with at least one dimension less than 1 micrometer, so that with each of the grounded electrodes 7 it forms an X-ray emitter and / or accelerator 1 of electrically charged particles. The X-rays emitted eliminate microorganisms or other pathogens found in the sterilized gas. The sterilized gas passes through the illustrated embodiment of the gas sterilizing device 5 in the axial direction indicated by the arrow C, so that it undergoes two equal stages of sterilization. However, with sufficient energy of X-rays emitted (about 10eV), only one sterilization phase is sufficient for good gas sterilization, so that when the housing 6 is designed and the airtight electrodes 7 are used, the sterilized gas passes through the sterilization device 5 perpendicularly. 8 can be made permeable to the filtered gas or not.
V dalším neznázoměném příkladu provedení obsahuje zařízení pro sterilizaci plynů 5 pouze jednu dvojici elektrod 7 a 8 tvořící rentgenový zářič a/nebo urychlovač I elektricky nabitých částic podle vynálezu.In another non-illustrated embodiment, the gas sterilization device 5 comprises only one pair of electrodes 7 and 8 forming the X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator 1 of the invention.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Rentgenový zářič a/nebo urychlovač elektricky nabitých částic podle vynálezu je schopen zcela nahradit stávající „rentgenky“ a urychlovače elektricky nabitých částic v medicíně, defektoskopii i v bezpečnostních zařízeních využívajících rentgenového záření. Kromě toho je možné využít tento rentgenový zářič a/nebo urychlovač elektricky nabitých částic pro sterilizaci vzduchu nebo plynů. Samostatnou kapitolou je pak jeho laboratorní užití pro zkoumání kolizních událostí při nárazu urychleného iontu a/nebo jiné elektricky nabité částice do terče tvořeného elektrodou obsahující nanoelementy s alespoň jedním rozměrem menším než 1 mikrometr, což dovoluje výzkum jaderné fúze lehkých jader i bez speciálních, finančně i provozně náročných, zařízení.The X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator of the present invention is capable of completely replacing existing x-ray tubes and electrically charged particle accelerators in medicine, defectoscopy, and X-ray safety devices. In addition, the X-ray emitter and / or electrically charged particle accelerator can be used to sterilize air or gases. A separate chapter is its laboratory use to investigate collision events in the impact of accelerated ion and / or other electrically charged particles into a target consisting of an electrode containing nanoelements with at least one dimension less than 1 micrometer, which allows research into nuclear fusion of light nuclei even without special, financially and operationally demanding equipment.
PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2009-424A CZ305429B6 (en) | 2009-07-01 | 2009-07-01 | X-ray radiator and/or accelerator of electrically charged particles |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2009-424A CZ305429B6 (en) | 2009-07-01 | 2009-07-01 | X-ray radiator and/or accelerator of electrically charged particles |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2009424A3 CZ2009424A3 (en) | 2011-01-12 |
| CZ305429B6 true CZ305429B6 (en) | 2015-09-16 |
Family
ID=43426215
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2009-424A CZ305429B6 (en) | 2009-07-01 | 2009-07-01 | X-ray radiator and/or accelerator of electrically charged particles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ305429B6 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5773921A (en) * | 1994-02-23 | 1998-06-30 | Keesmann; Till | Field emission cathode having an electrically conducting material shaped of a narrow rod or knife edge |
| WO2002031857A1 (en) * | 2000-10-06 | 2002-04-18 | The University Of North Carolina - Chapel Hill | X-ray generating mechanism using electron field emission cathode |
| WO2004086439A2 (en) * | 2003-02-05 | 2004-10-07 | The University Of North Carolina At Chapel Hill | Method and apparatus for controlling electron beam current |
| US6980627B2 (en) * | 2000-10-06 | 2005-12-27 | Xintek, Inc. | Devices and methods for producing multiple x-ray beams from multiple locations |
| EP1801842A1 (en) * | 2005-12-23 | 2007-06-27 | Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO | Device for generating X-rays and use of such a device |
| US20080238285A1 (en) * | 2006-12-26 | 2008-10-02 | Soon-Hyung Hong | Carbon nanotube field emitter and method for fabricating the same |
-
2009
- 2009-07-01 CZ CZ2009-424A patent/CZ305429B6/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5773921A (en) * | 1994-02-23 | 1998-06-30 | Keesmann; Till | Field emission cathode having an electrically conducting material shaped of a narrow rod or knife edge |
| WO2002031857A1 (en) * | 2000-10-06 | 2002-04-18 | The University Of North Carolina - Chapel Hill | X-ray generating mechanism using electron field emission cathode |
| US6980627B2 (en) * | 2000-10-06 | 2005-12-27 | Xintek, Inc. | Devices and methods for producing multiple x-ray beams from multiple locations |
| US20060274889A1 (en) * | 2000-10-06 | 2006-12-07 | University Of North Carolina At Chapel Hill | Method and apparatus for controlling electron beam current |
| WO2004086439A2 (en) * | 2003-02-05 | 2004-10-07 | The University Of North Carolina At Chapel Hill | Method and apparatus for controlling electron beam current |
| EP1801842A1 (en) * | 2005-12-23 | 2007-06-27 | Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO | Device for generating X-rays and use of such a device |
| US20080238285A1 (en) * | 2006-12-26 | 2008-10-02 | Soon-Hyung Hong | Carbon nanotube field emitter and method for fabricating the same |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Yuan Cheng, Otto Zhou: "Electron field emission from carbon nanotubes", C. R. Physique 4 (2003), str. 1021-1033, doi:10.1016/S1631-0705(03)00103-8, 04.10.2003 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2009424A3 (en) | 2011-01-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5472944B2 (en) | High current DC proton accelerator | |
| Calderón-Colón et al. | A carbon nanotube field emission cathode with high current density and long-term stability | |
| JP4239116B2 (en) | Ion beam neutralizer and neutralization method thereof | |
| Heo et al. | A vacuum-sealed miniature X-ray tube based on carbon nanotube field emitters | |
| JP2006234782A5 (en) | ||
| WO2014146569A1 (en) | Broadband ion beam system, and indirectly heated broadband beam ion source used for ion beam system | |
| KR101325210B1 (en) | A vaccum-sealed miniature x-ray tube based on carbon nanotube field emitters | |
| Johnson et al. | Field ion source development for neutron generators | |
| US7875857B2 (en) | X-ray photoelectron spectroscopy analysis system for surface analysis and method therefor | |
| Deore et al. | Design, development and characterization of tetrode type electron gun system for generation of low energy electrons | |
| CZ305429B6 (en) | X-ray radiator and/or accelerator of electrically charged particles | |
| JP2010277871A (en) | Electron cyclotron resonance ion source device | |
| Zhou et al. | Explosive electron emission from a surface-modified carbon/carbon composite cathode | |
| US9453278B2 (en) | Deposition device and deposition method | |
| JP2009087581A (en) | Charge converting film and particle accelerator | |
| JP2010516409A (en) | System and method for non-destructive decontamination of sensitive electronics using soft x-ray radiation | |
| Pokorný et al. | Electrospinning jets as X-ray sources at atmospheric conditions | |
| Tewari et al. | Role of negatively charged ions in plasma on the growth and field emission properties of spherical carbon nanotube tip | |
| JP6156864B2 (en) | Ion generation method | |
| CN212365918U (en) | High energy ion source | |
| Lim et al. | Field emission characteristics of cone-shaped carbon-nanotube bundles fabricated using an oxygen plasma | |
| Tobari et al. | Negative ion production in high electron temperature plasmas | |
| EP2274765A2 (en) | High efficiency gas filled lamp | |
| Kato et al. | Electron gun using coniferous carbon nano-structure | |
| Yu et al. | Study on beam current extraction and magnetic circuit design of microwave negative ion source for sealed neutron tube |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20160701 |