RU196850U1 - Miniature X-ray source using a pyroelectric crystal and a semiconductor diode - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области рентгеновской техники и может быть использована для генерации рентгеновского излучения, применяемого в рентгенографии и рентгеноскопии, рентгеновской дефектоскопии, рентгеноструктурном и рентгенофлуоресцентном анализах. Миниатюрный источник рентгеновского излучения содержит пироэлектрический кристалл, теплопровод, нагревательный элемент. Теплопровод выполнен в виде диска со стержнем, причем устройство дополнительно содержит вакуумную камеру с фланцем и расположенные в ней теплоизоляционный вакуумный фланец, пироэлектрический кристалл и диск теплопровода. Кроме того, стержень теплопровода, термопара и нагревательный элемент в виде полупроводникового диода расположены вне вакуумной камеры. Предлагаемое устройство может использоваться в рентгенографии – при фотографировании внутреннего строения непрозрачных предметов при помощи рентгеновых лучей. Разрабатываемое устройство имеет миниатюрное компактное исполнение, геометрические размеры составляют порядка нескольких сантиметров, что делает его мобильным.The utility model relates to the field of X-ray technology and can be used to generate X-ray radiation used in radiography and fluoroscopy, X-ray flaw detection, X-ray diffraction and X-ray fluorescence analyzes. A miniature x-ray source contains a pyroelectric crystal, a heat conductor, a heating element. The heat conduit is made in the form of a disk with a rod, and the device further comprises a vacuum chamber with a flange and heat-insulating vacuum flange located therein, a pyroelectric crystal and a heat conductor disk. In addition, a heat conductor rod, a thermocouple, and a heating element in the form of a semiconductor diode are located outside the vacuum chamber. The proposed device can be used in radiography - when photographing the internal structure of opaque objects using x-rays. The device under development has a miniature compact design, the geometric dimensions are of the order of several centimeters, which makes it mobile.

Description

Полезная модель относится к области рентгеновской техники и может быть использована для генерации рентгеновского излучения, применяемого в рентгенографии и рентгеноскопии, рентгеновской дефектоскопии, рентгеноструктурном и рентгенофлуоресцентном анализах.The utility model relates to the field of X-ray technology and can be used to generate X-ray radiation used in radiography and fluoroscopy, X-ray flaw detection, X-ray diffraction and X-ray fluorescence analyzes.

Известно устройство под названием «Высокоэнергетические кристаллические генераторы и их применение», (US № 7741615 B2, публ. 22.06.2010 г.). Изобретение представляет собой генератор пучков электронов и ионов высоких энергий на основе сегнетоэлектрического кристалла. Высокоэнергетическая эмиссия заряженных частиц обеспечивается путем нагрева сегнетоэлектрика в вакууме или с применением дополнительных внешних электромагнитных и акустических полей. Нагрев или охлаждение сегнетоэлектрического кристалла в вакууме приводит к образованию нескомпенсированного заряда различной полярности, в зависимости от величины вектора спонтанной поляризации, на противоположных гранях кристалла. Незначительное изменение температуры сегнетоэлектрического кристалла в вакууме приводит к образованию высокого потенциала и генерации высокоэнергетических заряженных частиц.  A device is known under the name "High-energy crystalline generators and their use", (US No. 7741615 B2, publ. 06/22/2010). The invention is a generator of electron beams and high-energy ions based on a ferroelectric crystal. High-energy emission of charged particles is ensured by heating a ferroelectric in vacuum or using additional external electromagnetic and acoustic fields. Heating or cooling a ferroelectric crystal in vacuum leads to the formation of an uncompensated charge of different polarity, depending on the magnitude of the spontaneous polarization vector, on opposite faces of the crystal. A slight change in the temperature of the ferroelectric crystal in vacuum leads to the formation of a high potential and the generation of high-energy charged particles.

Известно устройство под названием «Генератор рентгеновского излучения, использующий гемиморфный кристалл», (US № 7729474 B2, публ. 01.06.2010 г.). В данной работе описано устройство генератора рентгеновского излучения, основанного на применении гемиморфного кристалла, который подвергался температурному воздействию. При нагревании или охлаждении кристалла с помощью элемента Пельтье, вокруг кристалла образуется сильное электрическое поле. A device is known under the name "X-ray generator using a hemimorphic crystal", (US No. 7729474 B2, publ. 06/01/2010). This work describes the device of an x-ray generator based on the use of a hemimorphic crystal, which was subjected to temperature exposure. When a crystal is heated or cooled using a Peltier element, a strong electric field is formed around the crystal.

Также, известно устройство под названием «Генератор рентгеновского излучения, использующий кристалл гемиморфной формы», (JP № 2005285575 A, публ. 13.10.2005 г.). Разработанное устройство предназначено для генерации рентгеновского излучения с использованием гемиморфного кристалла, такого как LiNbO₃ или LiTaO₃ и элемента Пельтье, обеспечивающего изменение температуры кристалла и величины вектора спонтанной поляризации, который указывает на грани кристалла, где индуцируется заряд противоположной полярности. В результате осуществления такого режима работы устройства образуется разность потенциалов, которая обеспечивает генерацию рентгеновского излучения при торможении на атомах мишени, ускоренных в сильном электрическом поле, электронов. Also, a device is known under the name "X-ray generator using a crystal of a hemimorphic form" (JP No. 2005285575 A, publ. 13.10.2005). Invented device is designed to generate x-ray radiation using gemimorfnogo crystal such as LiNbO ₃ or LiTaO ₃ and the Peltier element, providing the temperature variation of the crystal and the magnitude of spontaneous polarization vector that points to the face of the crystal, where the charge of the opposite polarity is induced. As a result of the implementation of such a mode of operation of the device, a potential difference is formed which provides the generation of X-rays during braking of electrons accelerated in the target atoms accelerated in a strong electric field.

Известно устройство под названием «Генератор рентгеновского излучения COOL-X» (http://amptek.com/products/cool-x-pyroelectric-x-ray-generator/), которое производится в США фирмой Amptek. COOL-X представляет собой миниатюрный рентгеновский генератор, который использует пироэлектрический кристалл для генерации электронов. Герметичный металлический корпус источника имеет тонкое бериллиевое окно, предназначенное для вывода рентгеновских лучей. COOL-X не содержит радиоизотопы или внешние источники высокого напряжения. Это автономная, твердотельная система, которая генерирует рентгеновское излучение, когда на кристалл воздействуют термически. A device is known under the name "COOL-X X-ray Generator" (http://amptek.com/products/cool-x-pyroelectric-x-ray-generator/), which is manufactured in the USA by Amptek. COOL-X is a miniature X-ray generator that uses a pyroelectric crystal to generate electrons. The sealed metal casing of the source has a thin beryllium window designed to output x-rays. COOL-X does not contain radioisotopes or external high voltage sources. This is an autonomous, solid-state system that generates x-rays when the crystal is thermally exposed.

Общим недостатком известных источников рентгеновского излучения на основе сегнетоэлектрических кристаллов является возможность работы в ограниченном диапазоне скорости и изменении температур, что не позволяет достигать максимальных значений интенсивности и граничной энергии (максимальной величины энергии) генерируемого ими рентгеновского излучения. Также, к общим недостаткам следует отнести ухудшение показателей вакуума в процессе эксплуатации известных устройств, что приводит к нестабильной генерации рентгеновского излучения.A common disadvantage of known X-ray sources based on ferroelectric crystals is the ability to work in a limited range of speeds and temperature changes, which does not allow to achieve maximum values of intensity and boundary energy (maximum energy value) of the X-rays generated by them. Also, the general disadvantages include the deterioration of the vacuum in the operation of known devices, which leads to unstable generation of x-ray radiation.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является «Генератор рентгеновского излучения», (RU № 177198, публ. 13.02.2018 г.). Устройство состоит из теплопровода, элемента Пельтье, пироэлектрического кристалла, бериллиевого окна вывода генерируемого излучения и герметичного титанового корпуса с высокоразвитой внутренней поверхностью. Основным недостатком этого устройства, основанного на пироэлектрическом эффекте, является отсутствие возможности управления процессом генерации рентгеновского излучения в пироэлектрических кристаллах при изменении их температуры. Это связанно с отсутствием элементов управления током электронов.Closest to the proposed device is the "X-ray Generator", (RU No. 177198, publ. 13.02.2018). The device consists of a heat pipe, a Peltier element, a pyroelectric crystal, a beryllium window for outputting the generated radiation and a sealed titanium case with a highly developed inner surface. The main disadvantage of this device based on the pyroelectric effect is the inability to control the process of generation of x-ray radiation in pyroelectric crystals with a change in their temperature. This is due to the lack of electron current controls.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение является создание миниатюрного источника рентгеновского излучения, использующего пироэлектрический кристалл и полупроводниковый диод, которое позволит увеличить интенсивность и граничную энергию генерируемого рентгеновского излучения. The task to which the proposed technical solution is directed is to create a miniature x-ray source using a pyroelectric crystal and a semiconductor diode, which will increase the intensity and boundary energy of the generated x-ray radiation.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого миниатюрного источника рентгеновского излучения, который содержит пироэлектрический кристалл, теплопровод, нагревательный элемент, причем, теплопровод выполнен в виде диска со стержнем, а также устройство дополнительно содержит вакуумную камеру с фланцем и расположенные в ней теплоизоляционный вакуумный фланец, пироэлектрический кристалл и диск теплопровода, кроме того стержень теплопровода, термопара и нагревательный элемент в виде полупроводникового диода расположены вне вакуумной камеры.The problem is solved using the proposed miniature x-ray source, which contains a pyroelectric crystal, a heat conductor, a heating element, moreover, the heat conductor is made in the form of a disk with a rod, and the device further comprises a vacuum chamber with a flange and a heat-insulating vacuum flange located in it, a pyroelectric crystal and a heat conductor disk, in addition, a heat conductor rod, a thermocouple, and a heating element in the form of a semiconductor diode are located outside smart camera.

Преимущество предлагаемой полезной модели заключается в увеличении диапазона изменения температуры пироэлектрического кристалла при его нагреве с помощью полупроводникового диода в вакуумной камере, что определяет интенсивность и граничную энергию генерируемого рентгеновского излучения, в увеличении скорости изменения температуры пироэлектрического кристалла в вакууме, что также влияет на изменение основных характеристик рентгеновского излучения: интенсивность и граничная энергия. The advantage of the proposed utility model is to increase the temperature range of the pyroelectric crystal when it is heated using a semiconductor diode in a vacuum chamber, which determines the intensity and boundary energy of the generated x-ray radiation, to increase the rate of change of the temperature of the pyroelectric crystal in vacuum, which also affects the change in the main characteristics X-ray radiation: intensity and boundary energy.

Технический результат заключается в увеличении интенсивности и граничной энергии генерируемого рентгеновского излучения, посредством контролируемого нагрева пироэлектрического кристалла полупроводниковым диодом. The technical result consists in increasing the intensity and boundary energy of the generated x-ray radiation by means of controlled heating of a pyroelectric crystal by a semiconductor diode.

Полезная модель поясняется чертежом.The utility model is illustrated in the drawing.

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

Устройство состоит из пироэлектрического кристалла 1, теплопровода 2, включающего диск 3 и стержень 4, теплоизоляционного вакуумного фланца 5, полупроводникового диода 6, термопары 7 и вакуумной камеры 8 с фланцем 9 (Фиг. 1).The device consists of a pyroelectric crystal 1, a heat pipe 2, including a disk 3 and a rod 4, a heat-insulating vacuum flange 5, a semiconductor diode 6, a thermocouple 7 and a vacuum chamber 8 with a flange 9 (Fig. 1).

Пироэлектрический кристалл 1, например, ниобат лития (LiNbO₃) или танталат лития (LiTaO₃), представляет собой параллелепипед. Теплопровод 2, изготовленный из нержавеющей стали, представляет собой цельную деталь в виде диска 3 и стержня 4 (Фиг. 1). Пироэлектрический кристалл 1 крепится к диску 3 теплопровода 2 с помощью электропроводящего эпоксидного клея. Теплоизоляционный вакуумный фланец 5, выполненный из двустороннего текстолита, представляет собой диск через который проходит стержень 4 теплопровода 2. Теплоизоляционный вакуумный фланец 3 обеспечивает стабильный режим термического воздействия на пироэлектрический кристалл 1 и предотвращает утечку тепла с его поверхности. На стержень 4 теплопровода 2 устанавливается полупроводниковый диод 6 и термопара 7. Полупроводниковый диод 6 предназначен для нагрева пироэлектрического кристалла 1, а термопара 7 позволяет осуществлять контроль за изменением температуры пироэлектрического кристалла 1. Устройство в собранном виде устанавливается таким образом: пироэлектрический кристалл 1 и диск 3 теплопровода 2 расположены внутри вакуумной камеры 8, теплоизоляционный вакуумный фланец 5 герметично установлен на фланце 9 вакуумной камеры 8, а стержень 4 теплопровода 2, диод 6 и термопара 7 расположены вне вакуумной камеры (Фиг.1).Pyroelectric crystal 1, for example, lithium niobate (LiNbO ₃ ) or lithium tantalate (LiTaO ₃ ), is a parallelepiped. The heat pipe 2, made of stainless steel, is an integral part in the form of a disk 3 and a rod 4 (Fig. 1). The pyroelectric crystal 1 is attached to the disk 3 of the heat conduit 2 using an electrically conductive epoxy adhesive. The heat-insulating vacuum flange 5, made of double-sided PCB, is a disk through which the rod 4 of the heat conduit 2 passes. The heat-insulating vacuum flange 3 provides a stable thermal effect on the pyroelectric crystal 1 and prevents heat leakage from its surface. A semiconductor diode 6 and a thermocouple 7 are installed on the rod 4 of the heat conduit 2. The semiconductor diode 6 is designed to heat the pyroelectric crystal 1, and the thermocouple 7 allows you to control the temperature change of the pyroelectric crystal 1. The device is assembled in this way: pyroelectric crystal 1 and disk 3 the heat pipes 2 are located inside the vacuum chamber 8, the heat-insulating vacuum flange 5 is hermetically mounted on the flange 9 of the vacuum chamber 8, and the core 4 of the heat pipe 2, diode 6 and thermocouple 7 are located outside the vacuum chamber (Figure 1).

В процессе эксплуатации, во избежание искровых газовых пробоев и для стабильной работы предлагаемого устройства, давление в вакуумной камере 8 должно составлять 0.01÷1 мТорр. На пироэлектрический кристалл 1, который прикреплен к диску 3 теплопровода 2, оказывается термическое воздействие – нагрев, за счет подачи тока на полупроводниковый диод 6. При этом теплоизоляционный вакуумный фланец 5, установленный на фланец 9 вакуумной камеры 8, обеспечивает непосредственную передачу тепла от полупроводникового диода 6 к пироэлектрическому кристаллу 1 через стержень 4 и диск 3 теплопровода 2. Изменение температуры на поверхности пироэлектрического кристалла 1 контролируется термопарой 7. Вследствие пироэлектрического эффекта, из-за изменения температуры пироэлектрического кристалла 1, на его поверхности образуется положительный потенциал, обусловленный изменением величины вектора спонтанной поляризации. Свободные электроны, образующиеся в процессе ионизации атомов остаточного газа в вакуумной камере 8, ускоряются к свободной поверхности пироэлектрического кристалла 1 и, тормозясь на его атомах, генерируют тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет увеличивать интенсивность и граничную энергию генерируемого рентгеновского излучения посредством контролируемого нагрева пироэлектрического кристалла 1 с помощью полупроводникового диода в широком диапазоне температур – до 150 ⁰С, в то время как элемент Пельтье обеспечивает нагрев до 60 ⁰С. Также используемый полупроводниковый диод 6 позволяет нагревать пироэлектрический кристалл 1 за более короткий промежуток времени, нежели элемент Пельтье.During operation, in order to avoid spark gas breakdowns and for the stable operation of the proposed device, the pressure in the vacuum chamber 8 should be 0.01 ÷ 1 mTorr. The pyroelectric crystal 1, which is attached to the disk 3 of the heat conduit 2, is thermally affected by heating by supplying current to the semiconductor diode 6. In this case, the heat-insulating vacuum flange 5 mounted on the flange 9 of the vacuum chamber 8 provides direct heat transfer from the semiconductor diode 6 to the pyroelectric crystal 1 through the rod 4 and the disk 3 of the heat conduit 2. The temperature change on the surface of the pyroelectric crystal 1 is controlled by a thermocouple 7. Due to the pyroelectric effect effect, due to a change in the temperature of the pyroelectric crystal 1, a positive potential is formed on its surface due to a change in the value of the spontaneous polarization vector. Free electrons generated during the ionization of residual gas atoms in the vacuum chamber 8 are accelerated to the free surface of the pyroelectric crystal 1 and, braking on its atoms, generate bremsstrahlung and characteristic x-rays. Thus, the proposed device allows to increase the intensity and boundary energy of the generated x-ray radiation by controlled heating of the pyroelectric crystal 1 using a semiconductor diode in a wide temperature range - up to 150 ⁰ C, while the Peltier element provides heating to 60 ⁰ C. Also, the semiconductor used diode 6 allows you to heat the pyroelectric crystal 1 for a shorter period of time than the Peltier element.

Пример.Example.

Для осуществления генерации интенсивного рентгеновского излучения, использовался пироэлектрический кристалл 1 выполненный из ниобата лития в форме параллелепипеда. Геометрические параметры пироэлектрического кристалла 1: длина и ширина основания составляли – 20 мм, а высота – 10 мм. Теплопровод 2 был выполнен из нержавеющей стали, диск 3 теплопровода 2 имел диаметр 40 мм и толщину 5 мм, а диаметр стержня 4 теплопровода 2 составлял 8 мм. Теплоизоляционный фланец 5, установленный на фланец 9 вакуумной камеры 8, обеспечивал непосредственную передачу тепла от полупроводникового диода 6 к пироэлектрическому кристаллу 1 через стержень 4 и диск 3 теплопровода 2. В качестве полупроводникового диода 6 был использован кремниевый диод. На кремниевый диод 6 подавался ток порядка 10 А, при этом напряжение составляло порядка 1.6 В, что способствовало нагреву пироэлектрического кристалла 1. С помощью термопары 7 осуществлялся контроль температуры пироэлектрического кристалла 1, которая изменялась в диапазоне от 25 ⁰С до 90 ⁰С в течение 375 секунд, что привело к генерации рентгеновского излучения, граничная энергия которого достигала порядка 75 кэВ, а зарегистрированное количество фотонов 55 717 670. Для регистрации рентгеновского излучения использовался полупроводниковый детектор X-Ray detector Amptek CdTe 123. При этом давление остаточного газа в вакуумной камере 6 составляло порядка 1 мТорр.To generate intense x-ray radiation, a pyroelectric crystal 1 made of lithium niobate in the form of a parallelepiped was used. The geometric parameters of the pyroelectric crystal 1: the length and width of the base were 20 mm, and the height was 10 mm. The heat pipe 2 was made of stainless steel, the disk 3 of the heat pipe 2 had a diameter of 40 mm and a thickness of 5 mm, and the diameter of the rod 4 of the heat pipe 2 was 8 mm. The heat-insulating flange 5, mounted on the flange 9 of the vacuum chamber 8, provided direct heat transfer from the semiconductor diode 6 to the pyroelectric crystal 1 through the rod 4 and the disk 3 of the heat conduit 2. A silicon diode was used as the semiconductor diode 6. A current of the order of 10 A was supplied to the silicon diode 6, and the voltage was of the order of 1.6 V, which contributed to the heating of the pyroelectric crystal 1. Using a thermocouple 7, the temperature of the pyroelectric crystal 1 was controlled, which varied from 25 ⁰ С to 90 ⁰ С for 375 seconds, which led to the generation of X-ray radiation, the boundary energy of which reached about 75 keV, and the recorded number of photons was 55 717 670. An X-Ray semiconductor detector was used to record X-ray radiation detector Amptek CdTe 123. The pressure of the residual gas in the vacuum chamber 6 was about 1 mTorr.

Предлагаемая полезная модель с использованием пироэлектрического кристалла 1 и кремниевого диода 6 позволяет генерировать рентгеновское излучение, интенсивность которого на порядок превышает интенсивность рентгеновского излучения, которое генерируется известными источниками (в системе нагрева которых используется элемент Пельтье), а максимальная энергия – в 1,75 раз. The proposed utility model using pyroelectric crystal 1 and silicon diode 6 makes it possible to generate x-ray radiation whose intensity is an order of magnitude higher than the x-ray radiation generated by known sources (the Peltier element is used in the heating system) and the maximum energy is 1.75 times.

Предлагаемое устройство может использоваться в рентгенографии – при фотографировании внутреннего строения непрозрачных предметов при помощи рентгеновых лучей. Разрабатываемое устройство имеет миниатюрное компактное исполнение, геометрические размеры составляют порядка нескольких сантиметров, что делает его мобильным. Другой областью применения предлагаемого устройства является создание на его основе рентгеновских мобильных анализаторов наличия дефектов в производимой продукции. Преимуществом перед существующими аналогами является возможность оценки прочности труднодоступных для исследования участков конструкции.The proposed device can be used in radiography - when photographing the internal structure of opaque objects using x-rays. The device under development has a miniature compact design, the geometric dimensions are of the order of several centimeters, which makes it mobile. Another area of application of the proposed device is the creation on its basis of X-ray mobile analyzers for the presence of defects in manufactured products. An advantage over existing analogues is the ability to assess the strength of sections of the construction that are difficult to access.

Claims (1)

Миниатюрный источник рентгеновского излучения, содержащий пироэлектрический кристалл, теплопровод, нагревательный элемент, отличающийся тем, что теплопровод выполнен в виде диска со стержнем, причем устройство дополнительно содержит вакуумную камеру с фланцем и расположенные в ней теплоизоляционный вакуумный фланец, пироэлектрический кристалл и диск теплопровода, кроме того, стержень теплопровода, термопара и нагревательный элемент в виде полупроводникового диода расположены вне вакуумной камеры.A miniature x-ray source containing a pyroelectric crystal, a heat conductor, a heating element, characterized in that the heat conductor is made in the form of a disk with a rod, the device further comprising a vacuum chamber with a flange and a heat insulating vacuum flange located therein, a pyroelectric crystal and a heat conductor disk, in addition , a heat conductor rod, a thermocouple, and a heating element in the form of a semiconductor diode are located outside the vacuum chamber.

Images