Обнаружено направленное рентгеновское излучение в наноструктурированных системах



Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), ИОФАН и ОАО ЦНИТИ «Техномаш» обнаружили генерацию узконаправленного рентгеновского излучения, возникающую в синтетических опаловых матрицах при возбуждении их импульсным лазерным излучением. Основным кандидатом на роль механизма возникновения рентгена является триболюминесценция, то есть люминесценция в результате механического воздействия. Возникающее излучение может быть использовано в различных прикладных областях, в частности, в медицине, где потребность в направленных источниках рентгена довольно велика.

В журнале Nature в 2008 году была опубликована одна из последних работ по изучению рентгеновского излучения, возникающего при механическом воздействии на исследуемую систему. В работе сообщалось о наблюдении рентгеновского тормозного излучения (с максимумом 20 кэВ) в процессе отрыва полимерной пленки (скотча) от стеклянной подложки в условиях вакуума. Объясняется явление пространственным разделением зарядов, которое возникает из-за быстрого разрыва поверхностей, на границе которых из-за частичного переноса электронов формируется двойной электрический слой.

Следующее затем ускорение электронов в достаточно сильном эффективном электрическом поле позволяет разгонять их до энергий свыше 10 Кэв. Быстрое торможение этих электронов приводит к генерации тормозного излучения.

Первая работа о наблюдении рентгеновского излучения при триболюминесценции появилась в 1930 году – академик Иван Васильевич Обреимов при расщеплении слюды в вакуумной камере наблюдал эмиссию электронов с энергией порядка 10 кэВ. Существенное развитие исследования в этом направлении получили в работах В.В. Карасева, Н.А. Кротовой и Б.В. Дерягина, в которых был детально исследован процесс электронной эмиссии, возникающей при отрыве полимерной пленки от стеклянной подложки.

Специалисты из ФИАНа, ИОФАНа и «Техномаш» использовали для исследования процесса триболюминесценции синтетические опаловые матрицы, которые представляют собой гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК-решетку), состоящую из плотно упакованных шариков из диоксида кремния. В этом случае пустоты между глобулами, в которых происходит процесс разделения зарядов, торможение и образование рентгена, имеют характерный размер сильно меньше длины свободного пробега молекулы в воздухе, а значит, дополнительных усилий по созданию вакуума прилагать не нужно.
«При облучении образцов излучением импульсного рубинового лазера в среде происходит сильное когерентное акустическое возбуждение в гигагерцовом диапазоне частот, которое определяется размером глобул используемых опаловых матриц. В результате между глобулами опала происходит деформация и разрыв силоксановых связей. Пространственное разделение зарядов и высокая интенсивность эффективного электрического поля являются причиной, приводящей к появлению и ускорению до достаточно высоких скоростей электронов, торможение которых, по-видимому, и является причиной эмиссии в рентгеновском диапазоне», – рассказывает руководитель работы, кандидат физико-математических наук Николай Чернега.

Большой интерес представляет пространственное распределение рентгеновского излучения, которое определяется пространственной конфигурацией образцов в зоне деформации и разрыва связей. Регистрация пространственного распределения рентгеновского излучения осуществлялась с помощью рентгеновских кассет с усиливающим экраном «Ренекс» при регистрации рентгеновского излучения свыше 10 кэВ и рентгеновской пленкой Kodak при регистрации рентгена ниже 10 кэВ, в качестве фильтров использовалась калиброванная алюминиевая фольга. Сигнал, который остается на кассете, представляет собой одну или несколько небольших по диаметру областей – ярких точек с характерным пространственным распределением. Пространственное положение пятен от вспышки к вспышке изменялся.
«Характерной особенностью процесса генерации рентгеновского излучения здесь являются сильные флуктуации пространственной структуры регистрируемого сигнала. Это пороговый эффект – при достижении интенсивности лазерного излучения определенного порогового значения начинает появляться рентгеновское излучение, регистрируемое на кассете в виде одного-двух пятен. Дальше, увеличивая интенсивность накачки, мы увеличиваем активный объем, то есть у нас начинает работать больше сфер, а значит, больше разрывов связей и больше пятен. Порог возникновения рентгеновского излучения совпадает с порогом возникновения когерентного акустического возбуждения среды», – рассказывает Николай Чернега.



След от рентгеновского излучения на фотопленке рентгеновской кассеты и пространственное распределение его интенсивности.

На рентгеновских пленках регистрировалось как направленное излучение – более 15 КэВ, так и более низкоэнергетическое рентгеновское излучение, где речи о направленности не идет, но впечатляет сама картина на пленке, – на ней четко прорисовывается рентгеновское изображение матрицы опала.



А) Изображение образца опаловой матрицы, полученное с использованием растровой электронной микроскопии;
Б) Вид рентгеновской пленки с изображением соответствующего образца опаловой матрицы.
«Вопрос о конкретных физических механизмах генерации рентгеновского излучения в данный момент остается открытым, дело в том, что теоретическая модель получения направленного рентгеновского излучения не создана, и создать ее довольно трудно. Но экспериментальный факт налицо, это подтверждает и наша работа, и предшествующие ей. Далеко идущих выводов мы сейчас не делаем, но в перспективе направленный рентген можно использовать для самых разных приложений, в частности, в медицине, где источник, который имеет направление, позволит оказывать точечное воздействие на среду, например, для возбуждения каких-то эффектов или разрушения каких-либо инородных структур», – комментирует руководитель работы.

Важно, что в качестве источника направленного рентгеновского излучения могут быть использованы не только опаловые матрицы, но и другие наноструктуры, например, металлические или полупроводниковые, главное – добиться соответствующего акустического возбуждения составных частей и последующего разрыва связей между ними.

Источник

«Церковь - место, где джентльмены, никогда не бывавшие на небесах, рассказывают небылицы тем, кто никогда туда не попадет»

Менкен Генри Луис

Научный подход на Google Play

Файлы

Опиум для народа. Религия как глобальный бизнес-проект

Поиски механизма гравитации

Гориллы в тумане

Математическое и компьютерное моделирование