Пьезоэлемент от зажигалки — источник рентгеновского излучения?

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 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 м/с (~6% от скорости света), тогда как при напряжении в 20 кВ: ~8,4 х 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 ~ 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 — 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 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 расстоянии 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 💻