Ускорение заряженных частиц при помощи пироэлектрического и пьезоэлектрического эффекта

1.

Ускорение заряженных частиц при помощи
пироэлектрического и пьезоэлектрического
эффекта
А.Н. Олейник1,# ,М.Э. Гильц1, В.С. Сотникова1,2, Ю.С. Шаблов1, П.Г.
Шаповалов1,3
1Лаборатория радиационной физики, Белгородский государственный национальный
исследовательский университет, Белгород, Россия
2 Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Белгород, Россия
3 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия
# e-mail: [email protected]
Доклад на Симпозиуме «Актуальные вопросы физики сегнетоэлектриков и родственных материалов»,
Москва, 1 марта 2024 года

2.

Электризация за счет пиро- и пьезоэлектричества
Как разные воздействия способствуют электризации диэлектриков?
Wang, W., Li, J., Liu, H., &
Ge, S. (2020). Advancing
Versatile Ferroelectric
Materials Toward Biomedical
Applications. Advanced
Science, 8(1), 2003074.
2

3.

Генерация электрических полей и частиц при пироэлектрическом эффекте
Схема генерации электронов и фотонов при разности
полярности заряда на поверхности пироэлектрика
Используемые
материалы
Танталат лития
(LiTaO3)
Ниобат лития
(LiNbO3)
Диапазон
изменения
температуры
Рабочий
диапазон
давления
От 10 °C
От 100 мТорр и
ниже
(около 15 Па)
Концепция пироэлектрического ускорителя
Ток электронов
До 1 нА
Максимальная
энергия пика
электронов (и
потока фотонов)
Пиковая
интенсивность
потока фотонов
До 200 кэВ
До 109 фотонов в
секунду в полный
телесный угол
3

4.

Генерация электронов при пироэлектрическом эффекте
Поток электронов моноэнергетичен
Эффект самофокусировки при эмиссии с
поверхности пироэлектрика в нашей модели в
COMSOL Multiphysics
J.D. Brownridge et. al., Appl. Phys. Lett. 78 (2001) 1158.)
Электроны самофокусируются при эмиссии с
поверхности пироэлектрика
R. Ghaderi, F.A. Davani, Appl. Phys. Lett. 106 (2015) 042906
4

5.

Генерация ионов и нейтронов при пироэлектрическом эффекте
Свидетельства ионизации остаточного
газа при пироэлектрическом эффекте
D-D реакция синтеза и пироэлектрический
генератор нейтронов
(B. Naranjo, J. Gimzewski, S. Putterman, Observation of nuclear fusion
driven by a pyroelectric crystal, Nature 434 (2005) 1115-1117.)
D. J. Gillich, et. al. Enhanced pyroelectric crystal D–D
nuclear fusion using tungsten nanorods. Nano Today,
4(3), 227–234 (2009).
(J. Geuther, Y. Danon, F. Saglime, Nuclear reactions induced by a
pyroelectric accelerator, Phys. Rev. Lett. 96(5) (2006) 54803)
5

6.

Генерация рентгеновских фотонов при пироэлектрическом эффекте
Amptek COOL-X – единственный коммерческий
рентгеновский источник на основе
пироэлектрического эффекта (уже снят с
производства)
Пироэлектрический рентгеновский источник был
успешно апробирован в разных методиках
Энергодисперсионная спектроскопия
Рентгеновский флюоресцентный анализ
Рентгеновская спектроскопия спектроскопия
Рентгеновская визуализация
(в том числе и в медицинских целях)
S. Imashuku, A. Imanishi, J. Kawai, Development of Miniaturized Electron Probe X-ray
Microanalyzer, Analytical Chemistry, 83(22) (2011) 8363-8365.
J. Kawai, H. Ishiib, H. Idac, Pyroelectric X-ray application to X-ray absorption and emission
spectroscopies, X-Ray Spectrom. 41 (2012) 216–221.
Cпектр Amptek COOL-X
S. Imashuku, A. Imanishi, J. Kawai, Focused electron beam in pyroelectric electron probe
microanalyzer, Rev. Sci. Instrum. 84(7) (2012) 073111.
S. Imashuku, J. Kawai, Development of target changeable palm-top pyroelectric x-ray
tube, Rev. Sci. Instrum. 83(1) (2012) 016106.
Kusano, H. et. al. Development of an X-ray generator using a pyroelectric crystal for X-ray
uorescence analysis on planetary landing missions. Proc. of SPIE 9213, 921316-1 (2014).
S. Imashuku, Handbook of X-ray Imaging, Chapter 6: Technology of Pyroelectric
X-ray Tubes, CRC Press, 2018.
6

7.

Проблемные точки пироэлектрических ускорителей
Электрические пробои и внезапные
прерывания потока частиц
внезапная
остановка
генерации
частиц
«Мертвое время» без генерации частиц
Больше 50% цикла без генерации
Разные рентгеновские спектры при разной полярности заряда на поверхности пироэлектрика
7

8.

Экспериментальная установка в НИУ БелГУ
Сборка кристалла с
элементом Пельтье и
радиаторами
Детектор
электронов
Детектор
рентгеновских
фотонов
Мишень
Кристалл: LiTaО3 (z-cut, 20 мм - диаметр, 10 мм - высота)
Мишень: латунь/сталь/титан (пластины или сетки)
Расстояние «кристалл-мишень»: 5-50 мм
Рентгеновский детектор: Amptek CdTe X-123
Детектор заряженных частиц: Ortec-CR-012-025-100
8

9.

Периодическое варьирование температуры пироэлектрика – как способ
стабилизации пироэлектрического ускорителя
Garn, L., Sharp, E. Use of low-frequency sinusoidal
temperature waves to separate pyroelectric currents from
nonpyroelectric currents. Part I. Theory. J. App. Phys. 53,
8974-8980 (1982).
Garn, L., Sharp, E. Use of low-frequency sinusoidal
temperature waves to separate pyroelectric currents from
nonpyroelectric currents. Part II. Experiment. J. App. Phys.
53, 8980-8987 (1982).
A. Oleinik, M. Gilts, P. Karataev, A. Klenin, A. Kubankin,
Peculiarities of the pyroelectric current generated using a LiNbO3
single crystal driven by low-frequency sinusoidal temperature
variation, J. App. Phys., 132, 204101 (2022).
9

10.

Условия для стабилизации выхода частиц
в пироэлектрическом ускорителе
Область стабильной
генерации частиц
В эксперименте мы столкнулись с
тем, что осцилляции температуры
смещаются вверх или вниз из-за
остаточного разогрева или из-за
излишнего отвода тепла
10

11.

Стабильный режим работы пироэлектрического ускорителя
Результаты испытании при двухчасовом
непрерывном термоциклировании
Нагрев,
отрицательная полярность
Охлаждение,
положительная полярность
11

12.

Нестандартный лавинный разряд при пироэлектрическом эффекте
• Об этих пиках нет упоминании в
литературе
• Пики тока электронов совпадают
с периодом максимума
интенсивности рентгеновских
фотонов и максимальной
энергией электронов
Моделирование движения вторичных
электронов в пироэлектрическом ускорителе
ВАХ наблюдаемого разряда
А. Oleinik, M.E. Gilts, et.al., I-V curve of the electron flow
generated during a pyroelectric effect in lithium
tantalate single crystal in vacuum conditions,
Europhysics Letters, (2023) 142 34001
12

13.

Возможность управления пучками электронов при помощи
пироэлектричества
Схема пироэлектрического дефлектора
Управление пучком электронов с энергией 10 кэВ
A.N. Oleinik, et.al., Pyroelectric deflector of
charged particle beam, 2016 JINST 11
P08007
Alekseev V.I., et. al., Pyroelectric deflector
of relativistic electron beam, Chinese
Journal of Physics, V. 77, (2022), P. 22982306
13

14.

Генерация частиц при помощи пьезоэлектрического эффекта
Фото пьезоэлектрического ускорителя
Используемые
материалы
Керамика
цирконататитаната свинца
Используемое
усилие
Рабочий
диапазон
давления
Пиковая
интенсивность
потока фотонов
Около 10 кН
От 100 мТорр и
ниже
(около 15 Па)
До 1010 фотонов в
секунду в полный
телесный угол
Спектры рентгеновского излучения при давлении и
отпуске сборки пьезокерамик
(O. Ivashchuk, et. al., Piezoelectric
Accelerator, Sci. Rep. 8 (2018) 16488.)
14

15.

Дальнейшие перспективы
Изучение наблюдаемого нестандартного лавинного разряда, его влияния на динамику
генерируемого электронного потока
Моделирование электронного потока в пироэлектрическом ускорителе, дальнейшее
внедрение внешних фокусирующих элементов для формирования полноценного пучка
электронов
Переход от компактной экспериментальной установки к компактному откачиваемому (а
затем, и отпаянному) прототипу пироэлектрического ускорителя, его апробация в различных
приложениях, как источника электронов и рентгеновского излучения
Развитие концепции пироэлектрического дефлектора как метода управления пучками
электронов в режиме сканирования в различных приложениях
Изучение генерации рентгеновского излучения при помощи пьезоэлектрического эффекта,
как перспективного способа создания импульсных потоков рентгеновских квантов и
электронов
15

16.

Спасибо за ваше внимание!
e-mail: [email protected]