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