Картинка Freepik, Petteri Aimonen

Вещи, которые окружают нас в жизни, бывает, что таят в себе дополнительный интересный потенциал, зачастую довольно неожиданный.

Например, все мы хотя бы раз в жизни пользовались зажигалками с пьезоэлектрическим элементом в качестве источника поджигающей искры.

Однако приходило ли вам в голову, что этот пьезоэлектрический элемент может быть использован в качестве источника рентгеновского излучения?

Любая работа с излучениями является крайне опасной, а особенно рентгеновским излучением, и может повредить как вашей жизни, так и жизням окружающих людей! Автор статьи ни к чему не призывает и ничего не гарантирует. Вся информация статьи даётся исключительно в познавательных целях!

Открытие генерации рентгеновского излучения при механическом воздействии на пьезоэлектрики было осуществлено относительно недавно, но сам эффект пьезоэлектричества известен ещё с конца XIX века.

По некоторым данным, впервые возможность генерации рентгеновского излучения с помощью этого способа была открыта ещё в 1989 году группой исследователей Тихоокеанский северо-западной национальной лаборатории США (PNNL) под руководством Ф.Х.Полла, где учёные обнаружили, что резкий удар по пьезокристаллу* кварца вызывает кратковременный (меньше 100 нс) импульс рентгеновского излучения с энергией порядка 15-20 кэВ.

*Между обычным кристаллом кварца и пьезокристаллом существует разница: несмотря на то, что они оба представляют собой диоксид кремния, основная разница заключается в том, что пьезокристалл представляет собой специально подготовленную структуру, которая была выращена с чёткой ориентацией кристаллических осей.

Кроме того, эта структура должна быть вырезана вдоль определённых кристаллографических плоскостей и содержать электроды на определённых гранях для съёма заряда.

Таким образом, в результате всех этих подготовительных процедур пьезокристалл кварца даёт мощный электрический импульс порядка 30 кВ при ударе, со строгой полярностью, где в противовес ему обычный кварцевый кристалл даёт весьма слабый пьезоэффект случайной величины и направления.

Любопытно то, что излучение регистрировалось даже без вакуума, однако в сильноразреженном газе при давлении около 0,01 Торр** его интенсивность возрастала в десятки раз.

**1 Торр = 1 мм рт.ст = 1/760 атмосферы;
0,01 Торр = 1,316 х $10^{-5}$ атмосферы (т.е. очень высокий вакуум).

Привлекательность способа генерации с помощью пьезоэлектриков виделась в том, что в перспективе существует возможность создавать компактные рентгеновские источники, не требующие вакуумных трубок.

На тот момент (конец 80-х годов 20 века) эксперименты показали, что метод обладает низким КПД — менее 0,1% энергии удара преобразуется в рентген; кроме того, наблюдается относительно быстрая деградация* пьезоэлектрика при многократных ударах.

*Насколько мне известно, проводились эксперименты (правда уже из совсем другой сферы), когда обычные пьезоэлементы от зажигалок использовались в качестве компактной высоковольтной системы генерации искры для двигателей внутреннего сгорания (в качестве замены стандартной системы), где в ходе этих экспериментов было установлено, что пьезоэлектрик может «пережить» порядка миллиона воздействий на него, и даже более — без разрушений.

Так что для импульсного излучения рентгена в качестве компактного источника пьезоэлектрики вполне могут рассматриваться.

Принцип генерации рентгеновского излучения с применением пьезоэлектриков заключается в том, что при резком ударе или сжатии пьезоэлектрик генерирует высокое электрическое поле, порядка нескольких киловольт, и если в зону действия этого поля попадают свободные электроны, например, находящиеся в разреженном газе или на поверхности материала, то они приобретают ускорение, направляясь от отрицательного полюса (катода) — к положительному полюсу (аноду). То есть, катод представляет собой область с избытком электронов, в то время как анод — положительно заряженная зона.

В 2015 году исследования учёных Токийского университета показали, что добавление вольфрамового анода позволяет увеличить выход рентгеновского излучения в 3-5 раз.

В процессе своего быстрого движения они взаимодействуют с атомами среды, что, в свою очередь, вызывает возникновение тормозного излучения, часть из которого попадает в рентгеновский диапазон.

Тормозное излучение представляет собой «рентгеновские фотоны», возникающие при резком торможении электронов, попавших в электрическое поле атомов.

Происходит это следующим образом: когда электрон пролетает рядом с атомом, то сильное электрическое поле ядра атома резко отклоняет его.

При таком отклонении электрон теряет часть энергии, которая превращается в «рентгеновский фотон» — при этом как такового столкновения с самим ядром может и не быть.

Энергия родившегося фотона зависит от величины торможения, и может варьироваться от мягкого рентгена (0,1-10 кэВ) до жёсткого (десятки кэВ), где при этом максимальная энергия фотона находится в пределах максимальной начальной энергии электрона. Например, если используется напряжение в 15 кВ, то такая начальная энергия электрона будет находиться в пределах 15 кэВ (т.е. это уже жёсткий рентген).

Также мы постоянно выше говорили о «рентгеновских фотонах» — и, если сказать совсем по-простому, то они представляют собой обычный свет специфического диапазона 0,01-10 нм (в то время как у видимого света диапазон длин волн 400-700 нм).

Основная принципиальная разница с видимым светом у них заключается в совершенно ином уровне энергетики частиц, что позволяет им обладать высокой степенью проникающей способности.

Образно говоря, это можно сравнить с тем, как мы бы капнули с высоты каплей воды или выстрелили пулей: обычная энергетика фотонов видимого света находится в пределах 1,5-3 эВ, в то время как у «рентгеновских фотонов»: 100 эВ-100 кэВ.

Для появления тормозного излучения имеет значение скорость электронов и, в общем случае, можно сказать скорость зависит от напряжения — чем выше напряжение, тем выше скорость и энергия электронов.

Например, при напряжении в 1 кВ скорость электронов составит ~1,9 х $10^{7}$ м/с (~6% от скорости света), тогда как при напряжении в 20 кВ: ~8,4 х $10^{7}$ м/с (28% от скорости света).

Выше мы говорили о том, что мощность излучения можно повысить, если использовать вольфрамовый анод, однако посмотрим, какую мощность излучения реально можно получить, если не использовать такие специальные мишени, а применять обычные электроды (которые уже установлены на пьезоэлектрический источник искры).

Допустим, мы смогли добиться высокого вакуума порядка 0,01 Торр и дали в нём один импульс от пьезозажигалки.

При этих условиях энергия импульса составит порядка ~$10^{-9}$ Дж (при 10-20 кВ и токе 1-10 мкА), его длительность будет находиться в пределах 10-100 нс.

В результате этого удастся сгенерировать порядка $10^{2}$ — $10^{3}$ штук рентгеновских фотонов, обладающих энергией около 1-15 кэВ.

Основной проблемой будет являться малое количество рентгеновских фотонов, что даст в итоге низкое качество (т.е. малое разрешение картинки, получаемой от единичного импульса), если даже это как-то регистрировать или фотографировать, а само изображение будет состоять всего лишь из 10-100 точек.

Увеличить разрешение можно, используя многократные импульсы и детекторы с накоплением — например, такие как CCD-камера с $10^{4}$ усилением.

Это можно использовать в качестве учебного пособия совместно с детектором частиц.

Ещё одним применением может быть микрорадиография, где просвечиванию подвергается объект малого размера толщиной с человеческий волос (50-100 мкм).

Но даже такая малая мощность несёт в себе определённую опасность: на расстоянии около 1 см от источника искры можно получить облучение (от единичного импульса) порядка 1/1000 флюорографии.

Неужели всё так плохо и никак не улучшить результат?

Не совсем:
  • использование медного анода: даёт +20% к выходу рентгеновского излучения;
  • использование вольфрамового анода: +300...500% к выходу излучения;
  • также усиливает и использование специальной формы электродов: игольчатый катод и плоский анод.

Но на самом деле всего этого достичь будет очень сложно по той простой причине, что для получения сколь-нибудь значимых результатов необходим достаточно высокий вакуум, а это, соответственно, специальные насосы, например, форвакуумные, и в результате всё это дорого, габаритно и сложно…

А можно ли обойтись без всего этого? Как ни странно, можно, но, для единичного импульса: нужно просто-напросто электроды залить эпоксидкой, расположив их концы на небольшом расстоян��и друг от друга (меньше 0,5 мм), оставив между ними небольшое пространство (т.е. полость)!

Но как же создать такую полость? Очень просто: расположив между электродами нечто, что будет выжжено в процессе пробоя между электродами и на его месте останется безвоздушная полость (с некоторым количеством газов и растущим давлением, но это уже неважно — искра успеет проскочить гораздо раньше, чем подскочит давление).

В качестве такого объекта можно использовать шарик из парафина, который будет пробит искрой, в нём образуется полость, но основной разряд пройдёт до того, как в этой полости критически возрастёт давление газов разрушенного парафина.

Почему парафин: даёт мало газов.

При таком подходе, теоретически, интенсивность рентгеновского излучения будет на приблизительно 20-50% ниже, чем в идеальном вакууме.

Но, это всё для единичного разряда…

А зададимся любопытным вопросом, можно ли этот процесс организовать для множественных разрядов?!

Ведь мы уже поняли, что достичь высокого вакуума, используя стандартные способы с вакуумными насосами, та ещё проблема…

Как ни странно, можно, и весьма просто: используя высоковольтный разряд между электродами в воде, возникновение которого сопровождается множеством параллельных эффектов, а сам этот метод частенько известен под названием «эффекта Юткина» (по ссылке есть много интересных видео по теме и некоторые электрические схемы для получения эффекта).

Такой разряд порождает следующие параллельные эффекты:

  • огромные локальные температуры: вплоть до 100000°С;
  • огромные давления: 1-10 ГПа;
  • возникновение рентгеновского излучения;
  • мощная ударная волна (используется для дробления горных пород, а также в качестве «пресса» — вдавливая лист металла в фигурное дно ванны с водой, что избавляет от потребности строить огромные механические прессы; по некоторым данным такой метод использовался даже для создания больших корпусных деталей автомобилей-лимузинов; также известен альтернативный метод создания штампованных деталей большой площади с помощью подвешенной в воде взрывчатки непосредственно над металлическим листом — возможно, в нескольких местах, в зависимости от размера листа).

Вкратце, механизм рентгеновского излучения при высоковольтном разряде сквозь воду выглядит следующим образом:

  • два электрода — острый катод и плоский анод, например из вольфрама, погружены в воду на расстоянии в 1-2 мм;
  • на них подаётся высокое напряжение порядка 20-100 кВ;
  • в результате между ними возникает плазменный канал разряда, моментально испаряющий воду (т.е. возникает «парогазовый пузырь»);
  • пузырь расширяется, раздвигая воду вокруг со скоростью порядка 1000 м/с, вызывая мощную ударную волну;
  • всё это время (время существования описанных эффектов 10-100 нс, далее уже начинается затухание) разряд между электродами продолжает гореть;
  • электронный поток, летящий сквозь пар, взаимодействует с ним, вызывая возникновение мягкого рентгеновского излучения (1-10 кэВ), при достижении же вольфрамовой мишени-анода столкновение с ней вызывает возникновение жёсткого рентгеновского излучения (15-50 кэВ);
  • после пропадания плазменного канала парогазовый пузырь схлопывается со скоростью приблизительно в 1500 м/с, вызывая появление огромных давлений и температур в зоне схлопывания.

Привлекательность этого метода заключается в том, что он может осуществляться с большой частотой — до 100 Гц и даже более, но проблема заключается в том, что он тоже отличается низким КПД (в качестве источника рентгена) и только 0,01-0,1% всей энергии, затраченной на разряд, уходит непосредственно на генерацию рентгеновского излучения…

В качестве любопытной мысли для осмысления: а что, если разместить на минимально возможном расстоянии друг от друга (чтобы хватило сил пробить воду) изолированные провода пьезоэлемента, чтобы были оголены только торцы, и дать разряд в воду — в теории, это должно дать также рентгеновское излучение, но только без необходимости создания вакуума;-)

Торцы выставлять на расстоянии друг от друга не вручную, а будучи прикреплёнными к небольшому винту и гайке (скажем, с резьбой М2-М3) — это позволит выставлять промежуток между ними с точностью до микронов.

Подытоживая, можно сказать, что при соблюдении некоторых условий пьезоэлементы зажигалки вполне могут быть источником рентгеновского излучения, в реальной же жизни человека от этого защищает атмосфера, так как при атмосферном давлении электроны тормозятся в воздухе, не успевая разогнаться до опасных скоростей; тем не менее, всё меняется, если зажигалкой щёлкать не в атмосфере, а в безвоздушном пространстве.

Если говорить об интересных способах генерации рентгеновского излучения, то описанные методы не являются единственными, например, в лабораториях может быть использована лазерная абляция (испарение) металлов с помощью сверхкоротких импульсов мощного лазерного излучения, в результате которых возникает плазма, излучающая рентгеновские лучи.

Ещё одним любопытным вариантом, который мы рассматривали в прошлом, является перематывание обычного скотча с одной бобины на другую в вакууме (количество перематываний значения не имеет, имеет значение сам факт — т.е. можно перематывать многократно).

Этот метод представляет собой весьма мощный источник рентгеновского излучения, сравнимый даже с обычной рентгеновской трубкой!

Вкратце: работает как механическая электронно-лучевая трубка, и исследователи с помощью такого способа смогли получить даже обычные рентгеновские снимки!

При этом мощность излучения сильно растёт в зависимости от скорости перематывания скотча — т.е. мощность источника регулируется в широких пределах в зависимости всего лишь от скорости вращения перематывающих двигателей…

Тем не менее, появившееся в последнее время множество исследований на тему рентгеновских излучателей на базе пьезоэлементов тоже видится весьма интересным.

В дополнение к описанному выше, для генерации рентгеновского излучения с помощью пьезоэлемента может быть использован и гибридный вариант: просто взять в качестве вакуумного промежутка электронную лампу от старого телевизора и дать сквозь неё разряд!

Именно этот способ и описан здесь, где экспериментатор многократно пропустил такой разряд от зажигалки для барбекю сквозь старую лампу. Правда при этом была обнаружена проблема: лампа выступала как конденсатор, накапливая часть энергии и давая в какой-то момент обратный разряд сквозь пьезокристалл, что вызывало его пробой и разрушение (автор эксперимента испортил из-за этой причины 5 зажигалок, пока не понял причину).

Избавиться от этой проблемы удалось с помощью добавления высоковольтного диода от микроволновки на один из электродов пьезоразрядника, что защитило от обратного тока. Само видео эксперимента ниже – хорошо видно, как реагирует счётчик Гейгера на разряды сквозь лампу:

И, напоследок, желающие почитать ещё о разработках на тему пьезо-излучателей рентгена могут посмотреть, например, здесь и здесь.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻