Исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы
Проведено исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора на основе кристалла ниобата лития при изменении давления остаточного газа в камере генератора в пределах 0.5… 30 мТорр. Энергия ускоренных электронов достигала 90 кэВ. Отмечается, что граничная энергия в спектре то...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2006 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2006
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81277 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы / В.И. Нагайченко, В.В. Сотников, Б.И. Иванов, А.М. Егоров, А.В. Щагин // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 254-259. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860190072366694400 |
|---|---|
| author | Нагайченко, В.И. Сотников, В.В. Иванов, Б.И. Егоров, А.М. Щагин, А.В. |
| author_facet | Нагайченко, В.И. Сотников, В.В. Иванов, Б.И. Егоров, А.М. Щагин, А.В. |
| citation_txt | Исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы / В.И. Нагайченко, В.В. Сотников, Б.И. Иванов, А.М. Егоров, А.В. Щагин // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 254-259. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Проведено исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора на основе кристалла ниобата лития при изменении давления остаточного газа в камере генератора в пределах 0.5… 30 мТорр. Энергия ускоренных электронов достигала 90 кэВ. Отмечается, что граничная энергия в спектре тормозного рентгеновского излучения линейно возрастает с увеличением высоты кристалла до нескольких миллиметров, а для больших высот кристалла рост энергии замедляется. Обнаружено, что увеличение в два раза площади поверхности кристалла приводит к существенному увеличению граничной энергии рентгеновского излучения и значительному увеличению интегрального выхода рентгеновского излучения. Приведены также численные оценки энергии электронов, ускоряемых в пироэлектрическом генераторе. Показано, что одной из причин наблюдаемых явлений может быть влияние краевых эффектов на величину потенциала на поверхности пироэлектрического кристалла.
Experiments were made to investigate spectra of X-ray radiation of the pyroelectric X-ray generator based on
crystal LiNbО3 at variations in the residual gas pressure in the generator’s chamber in the range 0.5…30 mTorr. The
energy of accelerated electrons reached 90 keV. It is noted that with an increasing height of crystals at a fixed crystal
working surface area, the maximum X-ray radiation energy first increases linearly and then shows a tendency to
saturation. It was found, that at a fixed crystal height, a two-fold increase in the area of the crystal leads to sufficient
increase in the maximum X-ray radiation energy and to significant increase in the integrated yield of X-ray radiation.
The energy of electrons accelerated in the PXRG is numerically evaluated. It is shown, that one of the reason
of observed phenomena may be the influence of the edge effect on the value of the potential on the pyroelectric
crystal surface.
Проведено дослідження властивостей рентгенівського випромінювання піроелектричного генератора на
основі кристала ниобата літію при зміні тиску залишкового газу в камері генератора в межах 0.5…30 мТорр.
Енергія прискорених електронів досягала 90 кеВ. Відзначається, що гранична енергія в спектрі гальмового
рентгенівського випромінювання лінійно зростає зі збільшенням висоти кристала до декількох міліметрів, а
для великих висот кристала ріст енергії сповільнюється. Виявлено, що збільшення в два рази площі поверхні
кристала приводить до істотного збільшення граничної енергії рентгенівського випромінювання і значному
збільшенню інтегрального виходу рентгенівського випромінювання. Приведені також чисельні оцінки
енергії електронів, що прискорюються в піроелектричному генераторі. Показано, що однієї з причин явищ,
що спостерігаються, може бути вплив крайових ефектів на величину потенціалу на поверхні
піроелектричного кристала.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:06:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПИ-
РОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РЕЖИ-
МОВ ЕГО РАБОТЫ
В.И. Нагайченко, В.В. Сотников, Б.И. Иванов, А.М. Егоров, А.В. Щагин
Национальный Научный Центр "Харьковский физико-технический институт"
E-mail: valnag@kipt.kharkov.ua
Проведено исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора на основе
кристалла ниобата лития при изменении давления остаточного газа в камере генератора в пределах 0.5…
30 мТорр. Энергия ускоренных электронов достигала 90 кэВ. Отмечается, что граничная энергия в спектре
тормозного рентгеновского излучения линейно возрастает с увеличением высоты кристалла до нескольких
миллиметров, а для больших высот кристалла рост энергии замедляется. Обнаружено, что увеличение в два
раза площади поверхности кристалла приводит к существенному увеличению граничной энергии рентге-
новского излучения и значительному увеличению интегрального выхода рентгеновского излучения. Приве-
дены также численные оценки энергии электронов, ускоряемых в пироэлектрическом генераторе. Показано,
что одной из причин наблюдаемых явлений может быть влияние краевых эффектов на величину потенциала
на поверхности пироэлектрического кристалла.
PACS: 52.70.La
1. ВВЕДЕНИЕ
Достаточно давно было установлено, что пиро-
электрики, такие как ниобат и танталат лития, в цик-
ле нагревание–охлаждение испускают электроны с
энергией ∼10…100 кэВ (см. [1-6] и цитируемую там
литературу). Первые работы [1,3] выполнялись в ва-
кууме ∼10-6 Торр, при этом ток электронов был ∼10-
14…10-10 А. В работах [2,4,6] было обнаружено, что в
вакууме ∼10-2 Торр ток существенно возрастает (до ∼
10-9 А). В связи с этим в мире возник повышенный
интерес к использованию ниобата и танталата лития
в компактных («карманных») ускорителях электро-
нов и ионов, которые в свою очередь уже использу-
ются для генерации рентгеновского излучения [2,6,7]
и нейтронов в DD-реакции [8,9]. Следует также отме-
тить, что, например, в обзоре [6] описаны новые экс-
периментальные эффекты, физика которых не вполне
выяснена: «газовое» усиление энергии и тока элек-
тронов, механизм генерации ионов, автофокусировка
электронных и ионных пучков, спектр электронов с
кратными энергиями, простирающийся до 1 МэВ.
Выяснение физики этих и других наблюдаемых эф-
фектов может позволить понять процессы, происхо-
дящие в пироэлектрическом генераторе и использо-
вать возможности нового метода ускорения.
В ННЦ ХФТИ начаты исследования в этом
направлении [10]. В настоящей работе представлен
ряд новых результатов, полученных на пироэлектри-
ческом ускорителе Института плазменной электро-
ники и новых методов ускорения ННЦ ХФТИ. В
[6,11-13] отмечалось, что параметры пироэлектриче-
ских генераторов сильно зависят от многих факто-
ров, поэтому необходима их индивидуальная на-
стройка. В настоящей работе проведено исследова-
ние спектров рентгеновского излучения при измене-
нии давления газа в генераторе, а также высоты и
площади сечения рабочей поверхности кристалла
ниобата лития. Приведены также численные каче-
ственные оценки энергии ускоренных в пироэлек-
трическом генераторе электронов в зависимости от
высоты и площади пироэлектрического кристалла.
2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
Подробное описание экспериментальной уста-
новки пироэлектрического генератора рентгеновско-
го излучения (ПГРИ) приведено в нашей предыду-
щей работе [10]. В данной работе измерялись спек-
тры рентгеновского излучения электронов, ускорен-
ных с помощью пироэлектрического кристалла
LiNbO3 (ниобат лития). Из анализа энергетических
спектров были получены зависимости граничной
энергии и интегрального выхода рентгеновского из-
лучения от давления остаточного газа, а также от
высоты и площади поверхности кристалла.
Для проведения экспериментов были изготовле-
ны кристаллы из LiNbО3 следующих размеров:
4 кристалла одинаковой площади 4×8 мм, перпенди-
кулярной оси Z, но разной высоты вдоль оси Z
(1 мм, 2 мм, 4 мм и 8 мм) и 3 кристалла площадью 4
×4 мм и высотами 1 мм, 2 мм и 4 мм. Все измерения
проводились при одинаковых циклах нагревания и
охлаждения: нагревание от -500 С до +1000 С в тече-
ние 15 минут и охлаждение в том же диапазоне тем-
ператур и времени. Во всех экспериментах с разны-
ми кристаллами расстояние L от поверхности кри-
сталла до коллиматора устанавливалось равным
9 мм. Кристаллы располагались Z- плоскостью в сто-
рону детектора. Ниже эта плоскость называется ра-
бочей плоскостью или поверхностью. Противопо-
ложная плоскость кристалла находилась в контакте
с заземленным хладо(тепло)проводом. Схема гене-
ратора приведена на Рис.1.
3. СПЕКТРЫ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУ-
ЧЕНИЯ
Спектрометрический тракт состоял из Si(Li)
рентгеновского детектора типа БДЭР-2-25, спектро-
метрического усилителя Лангур и анализатора им-
пульсов АИ-4096, Нарва. Эффективность регистра-
ции детектора практически постоянна в диапазоне
энергий излучения 5…25 кэВ и быстро падает с ро-
___________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.254-259.254
стом энергии излучения свыше 25 кэВ. Она описана
в работе [14]. Энергетическая калибровка рентге-
новского спектрометра производилась по спектраль-
ным линиям радиоактивного источника Am-241. Из-
мерение каждого спектра проводилось в течение на-
грева (охлаждения) кристалла вплоть до прекраще-
ния излучения при стабилизации температуры кри-
сталла. Типичные спектры в режиме нагревания и
охлаждения показаны на Рис.2,3, соответственно.
Рис.1. Схема генератора.
1 – нагревательный элемент;2 – хладо (тепло) провод
из Al; 3 – кристалл LiNbО3 высотой H; 4 – ось сим-
метрии генератора; 5 – свинцовый коллиматор тол-
щиной 2 мм с диаметром отверстия 1 мм; 6 – вход-
ное бериллиевое окно Si(Li) детектора толщиной
20 мкм; 7 – клей, соединяющий входное окно 6 с кожу-
хом 12 детектора; 8 – мишень из меди толщиной 20
мкм, расположенная за коллиматором 5; 9 – внутрен-
ний объем детектора с вакуумом порядка 10-7 Торр;
10 – Si(Li) детектор площадью 25 мм2, расположен-
ный на расстоянии А = 5 мм от входного окна 6; 11 –
хладо (тепло) провод детектора; L –расстояние от
поверхности кристалла 3 до коллиматора 5 равное
9 мм
В процессе нагревания на рабочей поверхности
кристалла благодаря пироэлектрическому эффекту
возникает нескомпенсированный положительный
заряд. Поэтому электроны ускоряются в промежутке
между свинцовым коллиматором и кристаллом по
направлению к кристаллу. Попадая в кристалл,
ускоренные электроны производят рентгеновское
излучение, которое проходит через свинцовый кол-
лиматор, медную фольгу, бериллиевую фольгу и
регистрируются детектором. Один из измеренных
спектров этого излучения показан на Рис.2. Он со-
держит плавно изменяющийся спектрально-одно-
родный фон тормозного излучения электронов в
кристалле с граничной энергией около 45 кэВ. Рез-
кий скачок спектральной плотности тормозного из-
лучения объясняется резким изменением прозрачно-
сти медной фольги вблизи К-края поглощения Cu при
энергии 9.0 кэВ. На непрерывном фоне есть два спек-
тральных пика с энергиями 16.6 и 18.6 кэВ, которые
совпадают со справочными значениями характери-
стических Kα и K β линий атома Nb. Наличие этих
пиков свидетельствует о том, что наблюдаемое излу-
чение генерируется ‘электронами в кристалле
LiNbО3.
В процессе охлаждения на рабочей поверхности
кристалла возникает нескомпенсированный отрица-
тельный заряд. Поэтому электроны в генераторе
ускоряются в направлении от кристалла. Пройдя че-
рез свинцовый коллиматор, электроны поглощаются
в медной фольге, производя в ней рентгеновское из-
лучение, которое проходит через бериллиевую
фольгу и регистрируются детектором. Один из изме-
ренных спектров этого излучения показан на Рис.3.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
100
101
102
103
co
u
n
ts
E, keV
P=2.5 mTorr
heating, H=8 mm
Σ Ni=87723
09110503,dat
Emax~45 keV
16.6
18.6
Рис.2. Типичный спектр рентгеновского излучения в
режиме нагревания кристалла LiNbО3 высотой
8 мм, площадью 4x8 мм при давлении остаточного
газа 2.5 мТорр
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
100
101
102
103
104
c
o
u
n
ts
E, keV
P=2.5mTorr
cooling, H=8mm
ΣNi=1278139
09110504,dat
Emax ~ 90 keV
8.05
8.9
10.6
12.6 15.9
Рис.3. Типичный спектр рентгеновского излучения в
режиме охлаждения кристалла LiNbО3 высотой
8 мм, площадью 4×8 мм при давлении остаточного
газа 2.5 мТорр
Он содержит плавно изменяющийся спектрально-
однородный фон тормозного излучения электронов в
медной фольге с граничной энергией около 90 кэВ.
Резкий скачок спектральной плотности объясняется
резким изменением прозрачности медной фольги
вблизи К-края поглощения Cu при энергии 9.0 кэВ.
На непрерывном фоне есть два спектральных пика
Kα и K β характеристического излучения меди с
энергиями 8.05 и 8.9 кэВ, соответственно, возбуждае-
мых электронами в атомах Cu. Кроме того, видны
спектральные особенности с энергиями 10.6, 12.6 и
15.9 кэВ, обусловленные L-линиями характеристиче-
ского излучения и краями поглощения атомов Pb, из
которого изготовлен коллиматор. Это излучение воз-
буждается ускоренными электронами на краях свин-
цовой диафрагмы, установленной перед детектором.
Наличие соответствующих пиков характеристическо-
го излучения свидетельствует о том, что наблюдае-
мое излучение производится ускоренными электро-
нами, движущимися в направлении детектора.
Граничная энергия в спектре тормозного излуче-
ния не может превышать энергию электронов, кото-
рые его производят. Максимальная энергия электро-
нов, ускоренных в пироэлектрическом генераторе,
несколько превышает, но близка к граничной энер-
___________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.254-259.
A
1 2 3 4
5
6
8
7 9 10 11
H
L
12
255
гии в спектре тормозного рентгеновского излуче-
ния. Например, максимальная энергия электронов в
случае охлаждения кристалла (см. спектр на Рис.3)
составляет не менее 90 кэВ. Считая, что электроны
малых энергий испускаются с рабочей поверхности
кристалла, а затем ускоряются в электрическом поле
в направлении свинцового коллиматора и медной
фольги, приходим к выводу, что в процессе охла-
ждения кристалла на его рабочей поверхности воз-
никает нескомпенсированный потенциал не менее
90 кВ. Таким образом, спектры рентгеновского из-
лучения оказываются весьма информативными, а их
анализ позволяет продвинуться в понимании физи-
ческих процессов, происходящих в пироэлектриче-
ском генераторе.
4. ИЗМЕРЕНИЯ ГРАНИЧНОЙ ЭНЕРГИИ
РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЗА-
ВИСИМОСТИ ОТ ДАВЛЕНИЯ, ВЫСОТЫ
И ПЛОЩАДИ КРИСТАЛЛОВ
В первом цикле было измерено 72 спектра рент-
геновского излучения при разных давлениях газово-
го промежутка ПГРИ, с использованием пироэлек-
трических кристаллов разной высоты.
Из измеренных рентгеновских спектров (при ис-
пользовании 4 кристаллов LiNbО3 одинаковой пло-
щади 4×8 мм, но разной высоты вдоль оси Z – 1 мм,
2 мм, 4 мм и 8 мм) определялась граничная энергия
тормозного рентгеновского излучения, которая со-
ответствует и максимальной энергии ускоренных
электронов. Результаты измерений представлены на
Рис.4-5. Графики зависимости граничной энергии
рентгеновских квантов от давления Р газовой среды
ПГРИ при разных высотах Н кристалла приведены
на Рис.4 отдельно для режимов нагревания и охла-
ждения. Зависимости граничной энергии от высоты
кристалла для режимов нагревания и охлаждения
показаны на Рис.5.
Исследование влияния площади кристалла на
спектры рентгеновского излучения выполнялось на
двух кристаллах одинаковой высоты (Н=4 мм), но
разной площади рабочей поверхности (4×8 мм и 4×
4 мм). С этими двумя кристаллами были измерены
36 спектров при различных давлениях газа в ПГРИ.
Полученные экспериментальные результаты измере-
ний представлены на Рис.6-7. Приведены графики
зависимости интегрального выхода (Рис.6) и гра-
ничной энергии (Рис.7) рентгеновского излучения
от давления остаточного газа для кристаллов разной
площади поверхности при нагревании и охлажде-
нии. Интегральным выходом в данном случае мы
называем сумму числа счетов в каналах по всему за-
регистрированному спектру.
Анализируя данные на Рис.4-7, можно сделать
следующие выводы:
1) Граничная энергия рентгеновского излучения
существенно возрастает с увеличением высоты H
кристалла вдоль оси Z.
2) Максимум граничной энергии тормозного из-
лучения находится при давлениях газовой среды
ПГРИ в пределах от 0,1 до 5 мТорр для высоких
кристаллов LiNbО3.
3) Наблюдается нелинейная зависимость между
высотой кристалла и граничной энергией тормозно-
го излучения (а значит, и энергией ускоренных элек-
тронов) при одинаковой площади кристаллов.
4) Увеличение площади излучаемой поверхности
кристалла в два раза (с 4×4 мм до 4×8 мм) приводит
к увеличению интегрального выхода рентгеновского
излучения более чем в два раза, в особенности при
нагревании (в некоторых случаях наблюдалось уве-
личение в 10 раз).
5) Увеличение площади излучаемой поверхности
кристалла в два раза (с 4×4 мм до 4×8 мм) приводит
к существенному увеличению граничной энергии
рентгеновского излучения. Этот неожиданный эф-
фект наблюдался в широком диапазоне давлений
остаточного газа.
Отметим, что зависимость выхода и граничной
энергии рентгеновского излучения от давления газа
существенно более плавная для кристаллов малой
высоты. Возможно, это связано с более равномер-
ным прогревом кристалла по объему.
Отметим также некоторую нестабильность ре-
зультатов измерений с кристаллами большой высо-
ты. Из-за этой нестабильности, приведенные на гра-
фиках зависимости, носят в значительной мере каче-
ственный характер.
5. ВЛИЯНИЕ КРАЕВЫХ ЭФФЕКТОВ НА
ЭНЕРГИЮ УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ
Будем полагать, что граничная энергия тормозно-
го рентгеновского излучения приблизительно равна
максимальной энергии электронов и определяется
потенциалом на рабочей поверхности кристалла.
Рассмотрим этот потенциал, который равен разности
потенциалов между Z- и Z+ плоскостями кристалла,
или, иными словами, между рабочей и заземленной
поверхностями кристалла или между рабочей поверх-
ностью кристалла и электродом, находящимся под
потенциалом земли. На Рис.1 таким электродом яв-
ляется корпус детектора с коллиматором.
В каждый момент времени t в цикле нагревания-
остывания пироэлектрического кристалла разность
потенциалов между рабочей поверхностью кристал-
ла и землей может быть определена по формуле
(3.1) в [5]:
( )
( )
cr gap
Q t S
t
C C
φ
Ч
∆ =
+
, (1)
где Q – средняя плотность некомпенсированного
пироэлектрического заряда, образующегося на по-
верхности кристалла при изменении его температу-
ры, S – площадь кристалла, crC – емкость кристалла,
gapC – емкость промежутка между рабочей поверх-
ностью кристалла и электродом.
Зависимость Q от времени (в цикле нагревания-
остывания) определяется изменением температуры
кристалла и скоростью деградации образующегося
поверхностного заряда. Если бы в процессе нагрева
(охлаждения) деградации не было, то
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 1.
Series: Nuclear Physics Investigations (47), p.
256
Q Tγ= ∆Ч , (2)
где γ – пироэлектрический коэффициент, ΔT –изме-
нение температуры кристалла от начала цикла.
Обычно [5,12,13], crC и gapC определяют по стан-
дартным формулам для плоского конденсатора:
0 cr
cr
cr
C S
d
ε ε
= Ч , 0
gap
gap
C S
d
ε
= Ч , (3)
где crd – высота кристалла, gapd – расстояние меж-
ду кристаллом и плоским электродом, crε – диэлек-
трическая проницаемость кристалла, 0ε – электри-
ческая постоянная.
Таким образом,
0 1
cr
crcr
cr gap
dQ
d
d
φ
ε ε
ε
∆ = Ч
+ , (4)
0 5 10 15 20 25 30
0
10
20
30
40
50
60
E
m
a
x,
ke
V
P, mTorr
H=1mm
H=2mm
H=4mm
H=8mm
Heating
0 5 10 15 20 25 30
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
E
m
a
x,
k
e
V
P, mTorr
H=1mm
H=2mm
H=4mm
H=8mm
Cooling
Рис.4. Зависимости граничной энергии тормозного
излучения Emax от давления Р газовой среды ПГРИ,
при разных высотах кристалла Н, в случае нагрева-
ния (Heating) и охлаждения (Cooling)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0
10
20
30
40
50
60
E m
a
x,
ke
V
H, mm
0,5mTorr
1mTorr
2,5mTorr
5mTorr
10mTorr
15mTorr
20mTorr
30mTorr
Heating
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
E
m
a
x,
k
e
V
H, mm
0,5mTorr
1 mTorr
2,5mTorr
5mTorr
10mTorr
15mTorr
20mTorr
30mTorr
Cooling
Рис.5. Зависимости граничной энергии тормозного
излучения Emax от высоты Н при разных давлениях Р
газовой среды ПГРИ в случае нагрева и охлаждения
0 5 10 15 20 25 30
0
20
40
60
80
100
1
03 xΣ
N
i
P, mTorr
S(4x8)
S(4x4)
H=4mm
Heating
0 5 10 15 20 25 30
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
1
03 xΣ
N
i
P, mTorr
S(4x8)
S(4x4)
H=4mm
Cooling
Рис.6. Зависимости интегрального выхода рентге-
новского излучения от давления остаточного газа
для кристаллов разной площади поверхности
0 5 10 15 20 25 30
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
E
m
ax
, k
e
V
P, mTorr
S(4x8)
S(4x4)
H=4mm
Heating
0 5 10 15 20 25 30
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
E
m
a
x,
k
e
V
P, mTorr
S(4x8)
S(4x4)
H=4mm
Cooling
Рис.7. Зависимости граничной энергии тормозно-
го излучения от давления остаточного газа для
кристаллов разной площади поверхности
___________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.254-259.257
0
, , cr cr gap gap cr
cr
Q
d d d C Cφ
ε ε
∆ ≈ < < < <Ч (5)
Из соотношений (4), (5) следует, что разность по-
тенциалов, а значит и энергия ускоренных электро-
нов (если они проходят всю разность потенциалов,
начиная с нулевой энергии), должна линейно зави-
сеть от высоты кристалла и не зависеть от площади
кристалла. Однако это находится в противоречии с
нашими экспериментальными результатами, пред-
ставленными на Рис.4,5,7.
Возможное объяснение наблюдаемого эффекта
может быть связано с тем, что формулы для емкости
плоского конденсатора (3) верны лишь для случая,
когда расстояние d между обкладками очень мало
по сравнению с их линейными размерами. Если же
величина d больше линейных размеров обкладок, то
начинают сказываться краевые эффекты (неодно-
родность поля вблизи краев конденсатора), которые,
видимо, необходимо учитывать при оценке энергии
электронов в пироэлектрическом генераторе.
Для плоскопараллельных конденсаторов различ-
ной формы расчет емкости с учетом краевых эффек-
тов можно провести по различным (имеющимся в
научной литературе) приближенным формулам. В
частности, ниже приведены приближенные форму-
лы и расчеты c учетом краевых эффектов емкости
плоского конденсатора с круглыми пластинами оди-
накового радиуса r и расстоянием между пластина-
ми d в однородной среде. Формулы взяты из работы
[15].
При 0.4,
d
r
<
2
0
ln 16 1 ln ,
4 2
r r d d
C r
d d r r
ε ε π π
π
≈ + − +
й щж ц ж ц
з ч з чк ъи ш и шл ы
(6)
0
4 1 , 0.4 2.5,
4
r d
C r
d r
π
ε ε≈ + <Јж ц
з ч
и ш
(7)
0
2 4
4
, 2.5,
2 7 33
1 1
12 40
r d
C
rr r r
d d d
ε ε
π
≈ і
− − +
й щж ц ж цз ч з чк ъи ш и шл ы
(8)
Емкость плоскопараллельного конденсатора в
неоднородной среде с ε2 > ε1 (диэлектрическая про-
ницаемость внутри конденсатора равна ε2, а вокруг
него ε1) определяется по формуле [14]:
2 1
2 1 0
( )
( ) ( )C C S
d
ε ε
ε ε ε
−
≈ + , (9)
где 1( )C ε – емкость конденсатора с плоскопарал-
лельными (произвольной формы, но одинаковыми
обкладками) в однородной среде с 1ε .
Используя формулы (6)-(9), можно качественно
оценить энергию ускоренных электронов в пиро-
электрическом ускорителе в зависимости от высоты
и площади кристалла при прочих равных условиях.
В качестве примера, на Рис.8 приведены зависимо-
сти от высоты кристалла d значений ожидаемой
энергии ускоренных электронов для цилиндрическо-
го кристалла радиусом 0.32 см, диэлектрической
проницаемостью ε = 31, пироэлектрическим коэф-
фициентом γ = 0.82∙10-4 C/(m2 K) (пироэлектрик
LiNbO3) и электродом того же радиуса, расположен-
ным на расстоянии 1 см от кристалла. Предполага-
ется, что плотность заряда на поверхности кристал-
ла равна Q Tγ= ∆Ч с 50T∆ = градусов. Кривая 1
на Рис.8 построена с использованием формул (3),
кривая 2 – формул (6),(9). На Рис.9 приведена зави-
симость энергии электронов от радиуса кристалла
при фиксированной высоте 0.4 см.
Результаты расчетов, представленных на Рис.8,
позволяют качественно объяснить нелинейную зави-
симость потенциала на поверхности пироэлектрика
от высоты кристалла. Нелинейность объясняется
увеличением влияния краевых эффектов с увеличе-
нием высоты кристалла.
0 1 2 3 4 5
0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
6 0 0
7 0 0
C r y s t a l l t h i c k n e s s , c m
E
le
ct
ro
n
en
er
gy
,
ke
V
L i N b O
3
, ∆ T = 5 0 K , R
C r
= 0 . 3 2 c m , G a p 1 c m , R
d e t
= 0 . 3 2 c m
1
2
Рис.8. Зависимость энергии ускоренных электронов
от высоты кристалла. 1 – оценка по формуле (4)
без учета краевых эффектов, 2 – оценка по форму-
лам (6)-(9) с учетом краевых эффектов
0 1 2 3 4 5
4 4
4 6
4 8
5 0
5 2
5 4
5 6
5 8
6 0
r , c m
E
le
ct
ro
n
en
er
gy
,
ke
V
L i N b O
3
, ∆ T = 5 0 K , d
C r
= 0 . 4 c m , G a p 1 c m , R
d e t
= R
c r
1
2
Рис.9. Зависимость энергии ускоренных электронов
от радиуса кристалла. 1 - оценка по формуле (4) без
учета краевых эффектов, 2 – оценка по формулам
(6)-(9) с учетом краевых эффектов
Результаты расчетов, представленных на Рис.9
зависимостей, позволяют качественно объяснить за-
висимость потенциала на поверхности пироэлектри-
ка от площади кристалла. Частично зависимость
объясняется увеличением влияния краевых эффек-
тов с уменьшением площади кристалла. Однако, в
эксперименте (Рис.7) мы наблюдали существенно
более сильную зависимость граничной энергии тор-
мозного излучения от площади кристалла, чем это
могло бы быть объяснено только влиянием краевых
эффектов.
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 1.
Series: Nuclear Physics Investigations (47), p.
258
Таким образом, наблюдаемые зависимости от
размеров пироэлектрического кристалла можно, по
крайней мере, качественно и/или частично, объяс-
нить влиянием краевых эффектов на потенциал на
поверхности кристалла. Для численного сравнения
следует учесть реальную форму кристалла и элек-
тродов, утечку заряда через газ и поверхность кри-
сталла, деградацию заряда через ток ускоренного
пучка, а также размер детектора.
5. ВЫВОДЫ
В работе проведены измерения граничной энер-
гии тормозного излучения пироэлектрического гене-
ратора при различных давлениях газа в зависимости
от высоты и площади пироэлектрического кристал-
ла. Подтверждена нелинейная зависимость макси-
мальной энергии электронов от высоты кристалла,
которая раньше отмечалась в работах [11-13]. Обна-
ружена существенная зависимость максимальной
энергии электронов от площади кристалла. Показа-
но, что одной из причин этих явлений может быть
влияние краевых эффектов на величину потенциала
на поверхности пироэлектрического кристалла. Об-
наружено нелинейное увеличение выхода рентге-
новского излучения при нагревании с увеличением
площади кристалла.
Работа выполнена при частичной поддержке
НТЦУ, проект №1911.
ЛИТЕРАТУРА
1. B. Rosenblum, P. Braunlich, J.P. Carrico. Thermal-
ly stimulated field emission from pyroelectric LiN-
bO3 // Appl. Phys. Lett., 1974, v.25, p.17.
2. J.D. Brownridge. Pyroelectric X-ray generator //
Nature, 1992, v.358, p.287.
3. G. Rosenman, I. Rez. Electron emission from ferro-
electric materials // J. Appl. Phys., 1993, v.73,
p.1904.
4. J.D. Brownridge, S. Raboy. Investigation of pyro-
electric generation of X-rays // J. Appl. Phys., 1999,
v.86, p.640.
5. G. Rosenman, D. Shur, Ya.E. Krasik,
A. Dunaevsky. Electron emission from ferro-
electrics // J. Appl. Phys., 2000, v.88, p.6109 (Re-
view).
6. J.D. Brownridge, S.M. Shafroth. Electron and posi-
tive ion beams and X-rays produced by heated and
cooled pyroelectric crystals such as LiNbO3 and
LiTaO3 in dilute gases. Trends in Lasers and Elec-
tro-Optics Research, Ed. W.T. Arkin, Nova Science
Publishers, 2004.
7. http://www.amptek.com/coolx.html. Amptek Inc.,
Miniature X-ray generator with pyroelectric crys-
tal.
8. B. Naranjo, J.K. Gimzewski, S. Putterman. Obser-
vation of nuclear fusion driven by pyroelectric crys-
tal // Nature, 2005, v.434, p.1115.
9. J. Geuther, Ya. Danon, F. Saglime. Nuclear reac-
tions induced by a pyroelectric accelerator // Phys.
Rev. Lett. 2006, v.96, 054803.
10. V.I. Nagaychenko, V.M. Sanin, A.M. Yegorov,
A.V. Shchagin. Spectra of pyroelectric X-ray gen-
erator // Вопросы атомной науки и техники, Се-
рия «Ядерно-физические исследования». 2004,
вып.43(2), c.214-216; E-preprint physics/0309049.
September 10, 2003, 5 p.
11. J. Geuther, Ya. Danon, F. Saglime, B. Sones. Elec-
tron acceleration for X-ray production using paired
pyroelectric crystals. Proc. of 6 Intern. Meeting on
Nucl. Applications of Accel. Technology, San
Diego, 2003, AccApp’03, p.124.
12. J. Geuther, Ya. Danon. Electron and positive ion
acceleration with pyroelectric crystals // J. Appl.
Phys. 2005, v.97, 074109.
13. J. Geuther, Ya. Danon. High-energy X-ray produc-
tion with pyroelectric crystals // J. Appl. Phys. v.97,
104916, 2005.
14. A.V. Shchagin, N.A. Khizhnyak. Differential prop-
erties of parametric X-ray radiation from a thin
crystal // Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research, 1996, v.B119, p.115-122.
15. Ю.Я. Иоссель, Э.С. Кочанов, М.Г. Струнский.
Расчет электрической емкости. Ленинград:
«Энергоиздат2, 1981, с.288.
STUDIES INTO THE PROPERTIES OF X-RAY RADIATION OF THE PYROELECTRIC GEN-
ERATOR DEPENDING ON ITS OPERATION REGIME
V.I. Nagaychenko, V.V. Sotnikov, B.I. Ivanov, A.M. Yegorov, A.V. Shchagin
Experiments were made to investigate spectra of X-ray radiation of the pyroelectric X-ray generator based on
crystal LiNbО3 at variations in the residual gas pressure in the generator’s chamber in the range 0.5…30 mTorr. The
energy of accelerated electrons reached 90 keV. It is noted that with an increasing height of crystals at a fixed crys-
tal working surface area, the maximum X-ray radiation energy first increases linearly and then shows a tendency to
saturation. It was found, that at a fixed crystal height, a two-fold increase in the area of the crystal leads to sufficient
increase in the maximum X-ray radiation energy and to significant increase in the integrated yield of X-ray radia-
tion. The energy of electrons accelerated in the PXRG is numerically evaluated. It is shown, that one of the reason
of observed phenomena may be the influence of the edge effect on the value of the potential on the pyroelectric
crystal surface.
ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
ПІРОЕЛЕКТРИЧНОГО ГЕНЕРАТОРА В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД РЕЖИМІВ ЙОГО РОБОТИ
В.І. Нагайченко, В.В. Сотніков, Б.І. Іванов, О.М. Єгоров, А.В. Щагін
___________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 5.
Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (5), с.254-259.259
Проведено дослідження властивостей рентгенівського випромінювання піроелектричного генератора на
основі кристала ниобата літію при зміні тиску залишкового газу в камері генератора в межах 0.5…30 мТорр.
Енергія прискорених електронів досягала 90 кеВ. Відзначається, що гранична енергія в спектрі гальмового
рентгенівського випромінювання лінійно зростає зі збільшенням висоти кристала до декількох міліметрів, а
для великих висот кристала ріст енергії сповільнюється. Виявлено, що збільшення в два рази площі поверхні
кристала приводить до істотного збільшення граничної енергії рентгенівського випромінювання і значному
збільшенню інтегрального виходу рентгенівського випромінювання. Приведені також чисельні оцінки
енергії електронів, що прискорюються в піроелектричному генераторі. Показано, що однієї з причин явищ,
що спостерігаються, може бути вплив крайових ефектів на величину потенціалу на поверхні
піроелектричного кристала.
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. № 1.
Series: Nuclear Physics Investigations (47), p.
260
Studies into the properties of X-ray radiation of the pyroelectric generator depending on its operation regime
V.I. Nagaychenko, V.V. Sotnikov, B.I. Ivanov, A.M. Yegorov, A.V. Shchagin
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81277 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:06:04Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Нагайченко, В.И. Сотников, В.В. Иванов, Б.И. Егоров, А.М. Щагин, А.В. 2015-05-13T19:52:10Z 2015-05-13T19:52:10Z 2006 Исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы / В.И. Нагайченко, В.В. Сотников, Б.И. Иванов, А.М. Егоров, А.В. Щагин // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 5. — С. 254-259. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1562-6016 PACS: 52.70.La https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81277 Проведено исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора на основе кристалла ниобата лития при изменении давления остаточного газа в камере генератора в пределах 0.5… 30 мТорр. Энергия ускоренных электронов достигала 90 кэВ. Отмечается, что граничная энергия в спектре тормозного рентгеновского излучения линейно возрастает с увеличением высоты кристалла до нескольких миллиметров, а для больших высот кристалла рост энергии замедляется. Обнаружено, что увеличение в два раза площади поверхности кристалла приводит к существенному увеличению граничной энергии рентгеновского излучения и значительному увеличению интегрального выхода рентгеновского излучения. Приведены также численные оценки энергии электронов, ускоряемых в пироэлектрическом генераторе. Показано, что одной из причин наблюдаемых явлений может быть влияние краевых эффектов на величину потенциала на поверхности пироэлектрического кристалла. Experiments were made to investigate spectra of X-ray radiation of the pyroelectric X-ray generator based on
 crystal LiNbО3 at variations in the residual gas pressure in the generator’s chamber in the range 0.5…30 mTorr. The
 energy of accelerated electrons reached 90 keV. It is noted that with an increasing height of crystals at a fixed crystal
 working surface area, the maximum X-ray radiation energy first increases linearly and then shows a tendency to
 saturation. It was found, that at a fixed crystal height, a two-fold increase in the area of the crystal leads to sufficient
 increase in the maximum X-ray radiation energy and to significant increase in the integrated yield of X-ray radiation.
 The energy of electrons accelerated in the PXRG is numerically evaluated. It is shown, that one of the reason
 of observed phenomena may be the influence of the edge effect on the value of the potential on the pyroelectric
 crystal surface. Проведено дослідження властивостей рентгенівського випромінювання піроелектричного генератора на
 основі кристала ниобата літію при зміні тиску залишкового газу в камері генератора в межах 0.5…30 мТорр.
 Енергія прискорених електронів досягала 90 кеВ. Відзначається, що гранична енергія в спектрі гальмового
 рентгенівського випромінювання лінійно зростає зі збільшенням висоти кристала до декількох міліметрів, а
 для великих висот кристала ріст енергії сповільнюється. Виявлено, що збільшення в два рази площі поверхні
 кристала приводить до істотного збільшення граничної енергії рентгенівського випромінювання і значному
 збільшенню інтегрального виходу рентгенівського випромінювання. Приведені також чисельні оцінки
 енергії електронів, що прискорюються в піроелектричному генераторі. Показано, що однієї з причин явищ,
 що спостерігаються, може бути вплив крайових ефектів на величину потенціалу на поверхні
 піроелектричного кристала. Работа выполнена при частичной поддержке
 НТЦУ, проект №1911. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Приложения и технологии Исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы Studies into the properties of x-ray radiation of the pyroelectric generator depending on its operation regime Дослідження властивостей рентгенівського випромінювання піроелектричного генератора в залежності від режимів його роботи Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы Нагайченко, В.И. Сотников, В.В. Иванов, Б.И. Егоров, А.М. Щагин, А.В. Приложения и технологии |
| title | Исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы |
| title_alt | Studies into the properties of x-ray radiation of the pyroelectric generator depending on its operation regime Дослідження властивостей рентгенівського випромінювання піроелектричного генератора в залежності від режимів його роботи |
| title_full | Исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы |
| title_fullStr | Исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы |
| title_full_unstemmed | Исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы |
| title_short | Исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы |
| title_sort | исследование свойств рентгеновского излучения пироэлектрического генератора в зависимости от режимов его работы |
| topic | Приложения и технологии |
| topic_facet | Приложения и технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81277 |
| work_keys_str_mv | AT nagaičenkovi issledovaniesvoistvrentgenovskogoizlučeniâpiroélektričeskogogeneratoravzavisimostiotrežimovegoraboty AT sotnikovvv issledovaniesvoistvrentgenovskogoizlučeniâpiroélektričeskogogeneratoravzavisimostiotrežimovegoraboty AT ivanovbi issledovaniesvoistvrentgenovskogoizlučeniâpiroélektričeskogogeneratoravzavisimostiotrežimovegoraboty AT egorovam issledovaniesvoistvrentgenovskogoizlučeniâpiroélektričeskogogeneratoravzavisimostiotrežimovegoraboty AT ŝaginav issledovaniesvoistvrentgenovskogoizlučeniâpiroélektričeskogogeneratoravzavisimostiotrežimovegoraboty AT nagaičenkovi studiesintothepropertiesofxrayradiationofthepyroelectricgeneratordependingonitsoperationregime AT sotnikovvv studiesintothepropertiesofxrayradiationofthepyroelectricgeneratordependingonitsoperationregime AT ivanovbi studiesintothepropertiesofxrayradiationofthepyroelectricgeneratordependingonitsoperationregime AT egorovam studiesintothepropertiesofxrayradiationofthepyroelectricgeneratordependingonitsoperationregime AT ŝaginav studiesintothepropertiesofxrayradiationofthepyroelectricgeneratordependingonitsoperationregime AT nagaičenkovi doslídžennâvlastivosteirentgenívsʹkogovipromínûvannâpíroelektričnogogeneratoravzaležnostívídrežimíviogoroboti AT sotnikovvv doslídžennâvlastivosteirentgenívsʹkogovipromínûvannâpíroelektričnogogeneratoravzaležnostívídrežimíviogoroboti AT ivanovbi doslídžennâvlastivosteirentgenívsʹkogovipromínûvannâpíroelektričnogogeneratoravzaležnostívídrežimíviogoroboti AT egorovam doslídžennâvlastivosteirentgenívsʹkogovipromínûvannâpíroelektričnogogeneratoravzaležnostívídrežimíviogoroboti AT ŝaginav doslídžennâvlastivosteirentgenívsʹkogovipromínûvannâpíroelektričnogogeneratoravzaležnostívídrežimíviogoroboti |