ХХI век характеризуется интенсивным развитием нанотехнологий и наномате-
риалов. Они уже используются в основных областях человеческой деятельно-
сти (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике,
энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине).
Анализ инвестиций, количества публикаций по нанотехнологиям и нано-
материалам, а, также, темпов внедрения фундаментальных разработок позво-
ляет предположить, что в ближайшие годы использование нанотехнологий и
наноматериалов будет являться одним из определяющих факторов научного,
экономического, оборонного и социального развития государств.
Интерес современной науки и техники к новому классу материалов суще-
ственно возрастает. Это обусловлено следующим причинами:
• Стремлением к миниатюризации изделий;
• Уникальными свойствам материалов в наноструктурном состоянии;
• Развитием новых технологических приемов и методов, основанных на прин-
ципах самосборки и самоорганизации;
• Практическим внедрением современных приборов исследования, диагнос-
тики и модификации наноматериалов (например, сканирующая зондовая
микроскопия);
• Развитием и внедрением технологий получения нанопорошков.
Следует, также, акцентировать внимание на том, что исследования в этой
сфере деятельности смещается от получения и изучения нанокристаллических
материалов в область нанотехнологии, т.е. создания изделий, устройств и сис-
тем с наноразмерными элементами.
В рамках данной монографии следует отметить, что наноматериалы (в осо-
бенности нанокомпозит вольфрама и углеродные нанотрубки) активно начали
исследоваться применительно к их использованию для повышение эксплуата-
ционных характеристики современных мощных рентгеновских трубок, а, так-
же, при разработке и изготовлению новых типов источников рентгеновского
излучения.
1. Что такое наноматериалы?
К наноматериалам относят материалы, содержащие структурные элементы
(зерна, кристаллиты, блоки, кластеры и т.п.), геометрические размеры кото-
рых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качест-
венно новыми функциональными и эксплуатационными характеристиками.
Хотя современные исследователи отмечают, что верхняя граница является су-
губо условным определением.
Среди основных разделов науки о наноматериалах можно выделить следу-
ющие:
• Фундаментальные исследования свойств наноструктурных материалов;
• Развитие нанотехнологий для целенаправленного создания наноматериалов
и изделий
• Интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли про-
мышленности и науки;
• Развитие средств и методов исследования структуры, и свойств наноматери-
алов, а также, методов контроля и аттестации изделий, и полуфабрикатов
для нанотехнологий.
Вопрос о том, что такое нанотехнологии, является предметом дискуссии и
в настоящее время.
К нанотехнологиям принято относить технологии, обеспечивающие воз-
можность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматери-
алы.
Так в Интернете можно найти такое определение:
«Нанотехнология — область прикладной науки и техники, занимающаяся
изучением свойств объектов и разработкой устройств размеров порядка нано-
метра (по системе единицСИ, 10-9 метра)».
В популярной печати иногда используется, простое определение:
«Нанотехнологии — это технологии манипулирования веществом на атом-
ном и молекулярном уровне».
Или, вот определение профессора Г.Г. Еленина (МГУ, Институт приклад-
ной математики им. М.В. Келдыша РАН):
«Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в кото-
рой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространст-
венных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными ато-
мами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул,
наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физическими,
химическими и биологическими свойствами».
Федеральное Агентство по науке и инновациям в «Концепции развития в
РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года», дает такое определение:
«Нанотехнология — совокупность методов и приемов, обеспечивающих
возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объек-
ты, включающие компоненты с размерами менее 10 нм, хотя бы в одном из-
мерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества,
позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие
системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охва-
тывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких
объектов».
Статс-секретарь Министерства образования и науки РФ Дмитрий Ливанов
определяет нанотехнологии как:
«Набор научных, технологических и производственных направлений, кото-
рые объединены в единую культуру, основанную на проведении операций с
материей на уровне отдельных молекул и атомов».
А вот определение академика Ю.Д. Третьякова (МГУ)
Нанотехнологии: «это область знания, ориентированная на изучение и
применение материалов, которые наноструктурированы и имеют размер час-
тицот 1 до 100 нанометров (нано — 10-9)».
Финансово — промышленная группа «Онэксим» (М. Прохоров) — один из
основных инвесторов этого направления в России в своей презентации дает
такое определение:
«Нанотехнология — совокупность методов и приемов, обеспечивающих
возможность контролируемым образом создавать объекты и материалы из от-
дельных атомов, молекул и компонентов с размерами от 1 до 100 нм, хотя бы
в одном измерении».
В своем фундаментальном обзоре, цитируя Гляйтера [1] который предложил
считать нанокристаллическими материалы, у которых размер зерен лежит в ин-
тервале 10—100 нм. Андриевский Р.А акцентирует внимание на том, что эта
концепция условна и не имеет строгих физико-химических обоснований [2].
2. Размерные границы наноматериалов
Представляется интересным проанализировать аргументы, приводящиеся
различными авторами в обосновании своих определений и трактовок размеров
нанокристаллитов.
Первый подход. Нижняя граница обусловлена критическим размером су-
ществования нанокристаллического материала, то есть имеющего кристалли-
ческую решетку, а верхний предел определяется заметными изменениями фи-
зико-механических свойств.
Второй подход. Размер зерна в наноматериалах определяется из того, что
доля поверхностей раздела составляет половину от общего объема. Эта доля
оценивается из соотношения 3s/L, где s — ширина приграничной области.
Если s — 1 нм, то размер зерна — 6 нм. Исходя из этого, Гляйтер определяет
наноматериалы как двухфазные системы, в которых приграничная область —
одна фаза и, собственно, зерна — вторая фаза.
Третий подход. Размерные эффекты в наноматериалах сопровождаются
квантовыми эффектами, когда размер кристаллитов становится соизмерим с
дебройлевской длинной волны (mE-1/2
, где m — эффективная масса электро-
нов, Е — энергия Ферми). Для металлов 0,1 — 1 нм, а для полуметаллов
(карбиды и т.д.) 100 нм, то есть для тугоплавких металлов и их сплавов
нижняя граница может быть существенно выше, чем для обычных металлов.
По этой концепции наноматериалами следует называть материалы с характер-
ным параметром, например, длиной свободного пробега электронов, соизме-
римой с размером зерна.
Четвертый подход предлагает Гусев А.И. в своей монографии [3]. Он пред-
ложил поликристаллы с размером зерна от 300 до 40 нм называть субмикрок-
ристаллическими, а ниже 40 нм нанокристаллическими.
3. Нанокомпозиты
Наиболее точное, на взгляд авторов, определение нанокомпозитов дано в
монографии, написанной под редакцией академика Ю.Д.Третьякова [4].
«Нанокомпозит — это композит, в котором размеры одной, нескольких
или всех составляющих частей находятся в области наноразмеров»
Приняв за базу это определение и суммируя мнения других авторов, следует
привести определение нанокомпозитов как поликристаллов, в которых есть зер-
на или частицы с размерами хотя бы в одной проекции измеряемыми в нано-
метрах и свойства которых существенно отличаются от свойств крупнозерни-
стых (размеры зерен составляют от единицдо десятков микрон) материалов.
Так, известно, что модификация стандартных порошков наноразмерными
частицами увеличивает прочность материалов на 10—30%, пластичность в
1,5—2 раза, износостойкость в 1,3—1,6 раз [5].
Можно, в связи с этим, предположить, что у тугоплавких наноматериалов,
наиболее перспективных для использования в рентгеновской технике, диапа-
зон размеров зерен или включений может быть шире, чем у материалов с не-
высокой температурой плавления.
С учетом изложенного, наблюдаемые авторами данной монографии эф-
фекты в вольфраме, в котором на границах зерен обнаружены включения
пор размерами 50—140 нм [6] позволяют отнести такой материал к наноком-
позитам.
В этой связи уместно напомнить, что науке и технике много примеров,
когда отдельные разделы имеют целый ряд подразделов. Например, физика.
Есть физика элементарных частиц, есть физика твердого тела, есть физика
спекания и т.д. это дает основания подразделять наноматериалы на материа-
лы, имеющие только структурные составляющие наноразмерного уровня и на
те, у которых хотя бы одна составляющая (см. определение Ю.Д. Третьякова)
имеет размеры в области от 10 до 100 нм, то есть нанокомпозиты.
При этом, следует учесть мнение [7], что верхний предел размеров даже
для одного и того же материала может быть различен для различных свойств
материала. Так, для вольфрама, как это отмечалось ранее, верхний предел мо-
жет быть Ј 150 нм.
Учитывая большое количество публикаций по рассматриваемой тематике,
(например, [8—12]), мы ограничились кратким описанием общих положений,
изложенных в этих публикациях, но уделили больше внимания анализу ин-
формации по высокотемпературным наноматериалам (тугоплавкие материалы,
углеродные нанотрубки и др.), которые можно рассматривать как перспектив-
ные для применению в современных образцах рентгеновской техники.
Данная монография и посвящена перспективному научно-техническому
направлению — использованию наноструктурных материалов в элементах
конструкций рентгеновской техники. Настоятельная необходимость развития
данного направления исследований обусловлена многими причинами. Крат-
кое знакомство с ними во введении никоим образом не претендует на полноту
представления, а приводится исключительно для осознанного понимания ло-
гической схемы изложения содержания монографии.
Во-первых, тенденция развития рентгеновских исследований в техниче-
ских и медицинских приложениях характеризуется увеличением мощности
рентгеновских установок при сохранении или уменьшении размеров фокус-
ных пятен. Особенно такая потребность возникает при исследовании дина-
мических процессов. Так, например, за счет увеличения интенсивности рент-
геновского излучения, возможно, сократить время получения одного снимка,
что позволяет более четко отслеживать движущиеся органы человеческого
организма или крови (например, выявление патологических изменений сер-
дечно-сосудистой системы в ангиографии). Необходимость ограничения
интенсивности рентгеновского излучения обусловлена структурной нестаби-
льностью материала катода и анода в процессе эксплуатации рентгеновских
трубок. В качестве иллюстрации рассмотрим взаимодействие поверхности
анода с потоком электронов. Физический принцип работы любой рентгенов-
ской трубки достаточно прост. Эмиттер катода при определенной температу-
ре испускает пучок электронов. Последние, ускоренные электрическим по-
лем, попадают на анод и вследствие их торможения на мишени анода
генерируется рентгеновское излучение. При этом на долю тормозного излу-
чения приходится не более 5 % энергии электронного пучка. Поэтому, при-
поверхностный слой анода подвергается весьма сильному циклическому теп-
ловому воздействию. Это приводит к диффузионно-дислокационной
перестройке структуры материала. В макроскопическом масштабе наблюдают
изменение теплофизических и прочностных характеристик материала, его
повреждаемость вплоть до образования микротрещин. Характер взаимодейст-
вия электронного пучка с поврежденным материалом меняется, и наблюдают
снижение интенсивности рентгеновского излучения. При этом наиболее уяз-
вимы поликристаллические материалы, поскольку развитие нарушений
сплошности протекает по границам зерен. Монокристаллические материалы
обладают повышенным уровнем свойств и поэтому, при прочих равных усло-
виях, увеличивают ресурс эксплуатации при сохранении качества рентгенов-
ского излучения [13]. Однако и эти материалы не решают ключевой пробле-
мы — продление ресурса эксплуатации при сохранении интенсивности
излучения. Это обусловлено тем, что при пластической деформации моно-
кристаллов формируется фрагментированная структура, и монокристалл по-
степенно теряет свои привлекательные свойства. Поэтому для решения ука-
занных проблем возникает заманчивая перспектива использования
наноструктурных материалов.
Вторая причина пристального внимания к этим материалам кроется в том,
что эти материалы позволят в будущем принципиально изменить конструк-
тивные схемы существующих рентгеновских трубок. Сущность столь нетриви-
ального подхода проиллюстрируем на примере анода и эмиттера. Одной из
основных причин снижения интенсивности рентгеновского излучения, как
уже было отмечено, является нарушение структурной стабильности приповер-
хностного слоя материала анода. Такое нарушение обусловлено, как правило,
тепловыми и термоупругими процессами при взаимодействии ускоренных
электронов с поверхностью металла. Принципиальный подход для снижения
тепловых потерь энергии электронов заключается в использовании монокрис-
таллов определенной кристаллографической ориентации. Его физический
смысл заключается в следующем. Упорядоченное расположение атомов в мо-
нокристаллах создает атомные «каналы» значительной протяженности. Если
электроны падают на поверхность монокристалла под малым углом к атомной
цепочке, то их движение локализуется внутри канала. При движении электро-
на вдоль кристаллографического канала возникает тормозное рентгеновское
излучение с минимальными тепловыми потерями. Другими словами, происхо-
дит перераспределение энергии ускоренных электронов в пользу тормозного
рентгеновского излучения. Отсюда возникает предположение о возможности
перевода в тормозное излучение большей части энергии падающего электрон-
ного пучка. Следует думать, что успехи нанотехнологий позволят сформулиро-
вать устойчивые структурные «каналы» (по образу и подобию углеродных на-
нотрубок) для каналирования электронов. Тогда отпадает надобность во
вращающемся аноде и вспомогательных узлах для осуществления вращения.
Львиная доля энергии электронного пучка переходит в тормозное рентгенов-
ское излучение с минимальными тепловыми потерями в приповерхностном
слое наноструктурного анода. Наноструктурные материалы в виде углеродных
нанотрубок могут найти применение также в эмиттерах рентгеновских трубок.
Известно, что плотность тока эмиссии определяется напряженностью внешне-
го электрического поля. Этим процессом можно управлять путем создания на-
ноструктур для усиления внешнего электрического поля. Такими структурны-
ми элементами являются углеродные нанотрубки. Они усиливают
приложенное электрическое поле без повышения температуры. Однако для
конкретных применений физическая природа формирования рентгеновского
излучения остается неизменной. Только теперь холодный эмиттер испускает
пучок электронов, а холодный анод формирует рентгеновское излучение
вследствие каналирования электронов. Внедрение наноструктурных материа-
лов в рентгеновскую технику может существенно изменить подходы к созда-
нию конструкций рентгеновских трубок. Такие примеры в истории техники
хорошо известны. При этом достаточно упомянуть размеры первых электрон-
но-вычислительных машин и сравнить их с современными компьютерами.
И, наконец, третья причина рассмотрения возможности применения нано-
структурных материалов в рентгеновской технике заключается в бурном раз-
витии нанонауки и соответствующих нанотехнологий. Научные достижения в
любой отрасли знаний всегда были востребованы в технических приложениях.
Об этом свидетельствует многовековой опыт развития технической цивилиза-
ции. Достижения нанонауки уже нашли воплощение в различных технических
приложениях. Рентгеновская техника также способна воспринимать все луч-
шее из нового научного направления. Развитие нанонауки и нанотехнологий
характеризуется двумя подходами. Их сущность заключается в следующем.
Первый подход состоит в конструировании и создании материала любого вида
путем направленного манипулирования атомами и молекулами. Такие матери-
алы с наноразмерными элементами структуры (например, нанокомпозиты и
углеродные нанотрубки) могут найти достойное применение в различных тех-
нических приложениях, включая и рентгеновскую технику. Второй подход за-
ключается в создании технических систем, не уступающих по своим возмож-
ностям живой природе. Здесь предполагается реализовать стремление
технических цивилизаций приблизиться в своих технических конструкциях к
недосягаемому идеалу живой природы (например, квантовые компьютеры и
головной мозг). Вполне естественно, что для элементов конструкций рентге-
новской техники приемлем только первый подход. В самом деле, макроскопи-
ческие размеры основных узлов рентгеновских трубок требуют для своего из-
готовления соответствующие материалы. Улучшение их теплофизических и
прочностных характеристик возможно за счет структурных изменений. К по-
следним относятся легирование, образование новых фаз наноразмерного диа-
пазона, использование углеродных нанотрубок и т.п. Удачное сочетание
структурных элементов позволит полнее использовать имеющиеся материалы
и наметить пути получения новых материалов с требуемыми свойствами. Вне-
дрение новых материалов (прежде всего, наноструктурных) в рентгеновскую
технику может существенно изменить конструкутивные схемы существующих
установок.
Следует отметить еще одно весомое обстоятельство. Авторы монографии
имеют непосредственное отношение к рентгеновской технике. На протяжении
ряда лет под их руководством и участием проводились материаловедческие ис-
следования тугоплавких материалов применительно к основным узлам рентге-
новских установок [например, 14, 15].
Отдельные положения монографии опубликованы в отечественных и зару-
бежных журналах (например[16]), ключевые идеи представлены в виде патен-
тов (например [17]), Результаты проведенных исследований неоднократно до-
кладывались и обсуждались на международных научных конференциях. На
основе критического анализа литературных данных и собственных исследова-
ний авторы монографии пришли к выводу, что только принципиально новые
материалы гарантируют успешное развитие рентгеновской техники различного
функционального назначения. Это, прежде всего, монокристаллические мате-
риалы с элементами структуры наноразмерного диапазона (например, моно-
кристаллические нанокомпозиции).
Взаимосвязанная логика изложения ключевых вопросов монографии про-
слеживается от физических принципов генерации рентгеновского излучения
до практических рекомендаций по использованию наноструктурных материа-
лов в рентгеновской технике. Промежуточные разделы монографии посвяще-
ны различным аспектам нанонауки и нанотехнологии. При этом каждый раз
рассматривается реальная конструкция рентгеновской трубки в сочетании с
реальными материалами. Наноструктурные элементы в обычных материалах
улучшают их теплофизические, упругие и прочностные характеристики. Далее
кратко изложим содержание отдельных разделов монографии, неоднократно
подчеркивая неизменность основной идеи — перспектива развития рентгенов-
ской техники немыслима без наноструктурных материалов.
В первой главе монографии рассматривается физическая природа генера-
ции рентгеновского излучения при взаимодействии потока электронов с по-
верхностью металла. Необходимость данной главы обусловлена тем, что
основные закономерности формирования рентгеновского излучения являются
общефизическими и потому остаются неизменными для различных материа-
лов. Затрагиваются вопросы каналирования электронов в монокристалличе-
ских и наноструктурных материалах. Это приводит к существенному сниже-
нию тепловых потерь в приповерхностном слое анода, поскольку
значительная доля энергии электронного пучка переводится в тормозное рент-
геновское излучение. Обсуждается принципиальная возможность создания
низкотемпературных эмиттеров на основе использования углеродных нанотру-
бок. Высокая плотность эмиссионного тока достигается за счет усиления
внешнего электрического поля в углеродных нанотрубках. Направление по-
следних вместе с вектором напряженности электрического поля перпендику-
лярно поверхности эмиттера.
Вторая глава монографии посвящена математическому моделированию
диффузионно-дислокационных процессов в элементах конструкций рентге-
новской техники на основе наноструктурных материалов. Основной характе-
ристикой последних являются наличие разветвленной сети границраздела,
тройных стыков межфазных граници их узлов. Качественное рассмотрение
несовершенств структуры наноматериала осуществляется на основе кристал-
логарфических представлений. Количественное описание структурных несо-
вершенств наноматериалов проводится в континуальном приближении с испо-
льзованием математических методов механики сплошной среды. Рассмотрена
физическая природа внутренних напряжений при внешнем нагружении нано-
материалов в процессе эксплуатации рентгеновских установок. Исследовано
влияние внутренних напряжений на кинетику физико-химических процессов
в материалах рентгеновской техники. Основное внимание уделено внутренним
напряжением с логарифмической координатной зависимостью. Такая зависи-
мость упрощает решение задач диффузионной кинетики с учетом внутренних
напряжений различной физической природы.
Ключевые вопросы наноматериалов в рентгеновской технике изложены в
следующих главах монографии. Они посвящены различным аспектам нанона-
уки и нанотехнологий. Единая логика изложения материала прослеживается
от исторического экскурса в область нанотехнологий вплоть до практического
использования углеродных нанотрубок для создания нового поколения эмит-
теров. Приведена классификация наноматериалов и затронуты вопросы техно-
логии их получения. При этом основное внимание уделяется улучшению теп-
лофизических и прочностных характеристик обычных материалов путем
введения наноразмерных структурных элементов. Иллюстративным примером
является повышение сопротивления высокотемпературной ползучести фольг
из поликристаллического вольфрама при формировании в нем структуры на-
нокомпозита. Применение наноматериалов в рентгеновских установках
различного назначения направлено на улучшение их эксплуатационных харак-
теристик: увеличение ресурса эксплуатации при сохранении качества рентге-
новского излучения. Обсуждается перспективная возможность изменения кон-
структивной схемы существующих рентгеновских установок за счет
использования наноматериалов.
Проблема наноматериалов весьма актуальна для развития новой техники и
наукоемких технологий. Этим вопросам посвящены многочисленные публика-
ции [18—19].
Среди известных публикаций предлагаемая монография занимает особое
место. Здесь впервые с исчерпывающей полнотой рассмотрено перспективное
направление развития рентгеновской техники путем использования наност-
руктурных материалов. В основе такого рассмотрения заложен изначальный
фундамент — многолетние исследования авторов в области материаловедения
тугоплавких материалов и технологических проблем элементов конструкций
рентгеновской техники. Содержание монографии представляет несомненный
интерес для специалистов в приграничной области между нанотехнологией и
рентгеновской техникой. Студенты, аспиранты и преподаватели соответствую-
щих дисциплин могут воспользоваться конкретными научными результатами,
Вва также методическим подходом при решении практических задач. Все содер-
жание монографии пронизано весьма плодотворной мыслью — перспектива
развития рентгеновской техники немыслима без использования наноструктур-
ных материалов.
Авторы искренне признательны многим профессионалам за исчерпываю-
щие консультации по вопросам, которые не входили в сферу их научных инте-
ресов.
Отдельная благодарность д.т.н. Власову Н.М. за активную помощь в под-
готовке рукописи.
Литература
1. GleiterH. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure, Acta Materialia -,
2000-v.48, №1- р. 1-29
2. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы, Россий-
ский химический журнал. -2002г, т.46. -№5, стр.50-56.
3. Гусев А.И., Ремпель А.А., Нанокристаллические материалы, Москва
ФИЗМАТЛИТ, 2000г.-224стр.
4. Нанотехнологии. Азбука для всех. Под ред. академика Ю.Д. Третьякова. Москва»
Физматлит. 2008г.366 стр.
5. И.В. Горынин. Конструкционные материалы. Инновации №6(116), 2008г. стр.34-43.
6. Influence of nanoscale inclusions on high temperature creep resistance of deformed tungsten.
Alekseev, M. Taubin, A Yaskolko, 20th Workshop ISTC in Korea «Nanomaterials and
nanotechnology», Seul, 2009.
7. Андриевский Р.А, Рагуля А.В. Наноструктурные материалы, Москва, ACADEMA,
2005г.
8. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. — Москва: Машиностроение-1,2003. —
112стр.
9. Фейнман Р. Внизу полным полно места: приглашение в новый мир физики. Химия
и жизнь, 2002, № 12, стр.20-26
10. Н.Кобаяси. Введение в нанотехнологию. Москва, Бином. Лаборатория знаний.
2008 г. 134стр.
11. Белая книга по нанотехнологиям. Исследования в области наночастиц, нанострук-
тур и нанокомпозитов в Российской Федерации. По материалам Первого Всесоюз-
ного совещания ученых инженеров и производителей в области нанотехнологий.
Москва. URSS.2007г. 327 стр.
12. Кормилицин О.П., Шукейло Ю.А., Механика материалов и структур нано- и мик-
ротехники, Москва, ACADEMA, 2008 г.,214 стр.
13. Наноструктурные и монокристаллические материалы для медицинской техники,
Алексеев С.В., Таубин М.Л., Ясколко А.А. Материалы 2 Всероссийского национа-
льного конгресса по радиологии, 2008 г. стр.12-13.
14. Алексеев С.В., Игнатьев Д.Н., Павлов А.А, Таубин М.Л., Шестых, Д.Н. Ясколко А.
А Высокоэффективные источники рентгеновского излучения с катодами из нано-
материалов. Сборник статей Международной конференции «Наноструктуры в кон-
денсированных средах, Минск, 2011г.
15. Application of nanostructural materials in medical technic, S. Alekseev, M. Taubin, A.
Yaskolko, 20th Workshop ISTC in Korea «Nanomaterials and nanotechnology», Seul,
2009.
14 Введение
16. Рентгеновская трубка. Патент России № 237786, 27.12.2009. Таубин М.Л., Яскол-
ко А.А.
18. Лякишев Н.П. Алымов М.И. Наноматериалы конструкционного назначения, Рос-
сийские технологии, т.1 № 1-2, 2006г.стр71-81
19. Андриевский Р.А. Получение и свойства наноскристаллических тугоплавких соеди-
нений, Успехи химии,1994г.т.63, №5, стр.431-448.
20. Рыжонков Д.И.,Левина В.В., Дзидзигури Э.Л., Наноматериалы, Москва, БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2008г.364 стр.
21. К.Коч, И.Овидько, С.Сил,С. Вепрек, Конструкционные нанокристаллические ма-
териалы. Научные основы и приложения. (Перевод с английского профессора
А.Г. Ланина, под редакцией профессора М.Ю.Гуткина, Москва, Физматлит, 2012,
447 стр.
Рекомендуемые отечественные журналы:
1. Успехи физических наук.
2. Российский химический журнал.
3. ЖЭТФ.
Рекомендуемые зарубежные журналы:
Physical review B.
Journal of Applied Physics.
Applied Physics Letters.
Nano Letters.
Nanotechnology.
ГЛАВА I. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1.1. СПЕКТРЫ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны в диапазоне (100,001) нм. Такие волны возникают при взаимодействии быстрых электронов с поверхностью металла. Если атомы элемента с большим атомным номером теряют внешние электроны, то энергия допустимых квантовых переходов составляет несколько эВ. Спектр излучения состоит из линий в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях. При удалении внутреннего электрона испускается фотон с энергией в десятки кэВ. Такие фотоны получили название рентгеновских лучей. При этом кинетическая энергия пучка электронов должна превышать энергию связи внутренних электронов атома. Для определения этой энергии используется соотношение [1]
, (1.1)
где h - постоянная Планка, - частота излучения, Z - порядковый номер атома в периодической системе элементов, 13,6 эВ - потенциал ионизации атома водорода. Для вольфрама получим h = 13,6(74-2)2 = 70,50 кэВ, что соответствует = 0,018 нм. Полученное значение длины волны укладывается в диапазон рентгеновского излучения.
Спектр рентгеновского излучения состоит из двух частей. Одна из них возникает при торможении электронов на аноде и получила название тормозного излучения. Оно имеет сплошной спектр. На рис.1.1 приведена спектральная интенсивность тормозного излучения при различных напряжениях на трубке для вольфрамового анода [2]. В сторону длинных волн кривая спектральной интенсивности асимптотически приближается к нулю. Со стороны коротких длин волн кривая интенсивности излучения резко обрывается при определенной длине волны. Ее называют коротковолновой границей сплошного рентгеновского излучения. Она определяется из следующих физических соображений. Для рентгеновских лучей энергия кванта h существенно превышает работу выхода электрона. Пренебрегая работой выхода, запишем
h = eV, (1.2)
где eV - энергия электрона, выраженная через ускоряющее напряжение. Минимальную длину волны тормозного излучения определяют из выражения (1.2)
, (1.3)
где h - постоянная Планка, с - скорость света, е - заряд электрона, V - ускоряющая разность потенциалов между катодом и анодом. Для практических целей удобно пользоваться последним членом соотношения (1.3). Если V записывать в кВ, то min получают в нм.
Рис.1.1. Зависимость интенсивности тормозного рентгеновского излучения вольфрама от длины волны для разных напряжений на трубке [2]
Физический смысл наличия коротковолновой границы сплошного рентгеновского спектра имеет простое объяснение в квантовой теории излучения. Величина кванта рентгеновского излучения h не может быть больше энергии электрона еV, поскольку появление кванта излучения обусловлено потерей энергии электрона при торможении. Это означает, что длина волны излучения не может быть меньше, определяемого соотношением (1.3). Относительное распределение энергии в спектре тормозного рентгеновского излучения не зависит от материала анода. Материал анода оказывает влияние только на интегральную интенсивность излучения. При прочих равных условиях последняя возрастает с увеличением порядкового номера элемента в периодической системе. Это положение хорошо иллюстрирует рис.1.2, где интегральная интенсивность тормозного излучения для W (порядковый номер 74) существенно превышает соответствующее значение для Cr (порядковый номер 24). Промежуточное положение занимает Мо (порядковый номер 42) при наличии двух линий характеристического рентгеновского излучения [2].
По мере повышения напряжения между катодом и анодом наряду со сплошным спектром появляется линейчатый. Он состоит из отдельных линий и зависит от материала анода. Каждый элемент имеет присущий ему характерный спектр. Отсюда и возникло название характеристическое рентгеновское излучение. С увеличением напряжения на рентгеновской трубке коротковолновая граница сплошного спектра смещается в сторону более коротких длин волн. Однако линии характеристического излучения не меняют своего положения, а становятся лишь более интенсивными. Еще раз уделим внимание рис.1.2. Для принятого напряжения V= 35 кВ лишь у Мо возбуждаются две спектральные линии характеристического излучения. Для W приведенного напряжения недостаточно для возбуждения спектральных линий. Последние возникают только при увеличении напряжения V. У Cr спектральные линии появляются на более длинных волнах и потому не приведены на рисунке. Спектральные линии возникают в результате перехода атома с одного энергетического уровня на другой. Разность энергий в конечном и начальном состояниях атома достаточно велика, поскольку рентгеновское излучение является коротковолновым. Поэтому квантовые переходы совершаются внутренними электронами атома. Для этого внутри электронной оболочки атома должны быть свободные места, которые образуются при взаимодействии металла с быстрыми электронами. Свободные места в электронным оболочках замещаются электронами с вышележащих уровней. В результате этих процессов возникает весь спектр рентгеновского характеристического излучения.
Применение рентгеновского излучения связано с его поглощением и рассеянием в исследуемых объектах. Далее кратко затронем и эти вопросы.
Рис.1.2. Спектральное распределение энергии рентгеновского излучения для анодов из вольфрама, молибдена и хрома при напряжении между катодом и анодом 35 кВ [2]
1.2. ПОГЛОЩЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Если параллельный пучок рентгеновских лучей проходит через вещество, то он испытывает ослабление. Последнее обусловлено двумя причинами: рассеянием и абсорбцией. Под рассеянием понимают отклонение части лучей от первоначального распространения. По своим физическим проявлениям это явление аналогично рассеянию видимого света в мутных средах. Неоднородностями при рассеянии рентгеновских лучей являются отдельные атомы и электроны в атомах. При абсорбции ослабление пучка рентгеновских лучей происходит вследствие превращения его энергии в тепло. Количественно ослабление пучка рентгеновских лучей подчиняется закономерности
, (1.4)
где I0 - интенсивность падающего пучка, I(х) - интенсивность ослабленного пучка,
х - соответствующее расстояние, - коэффициент ослабления рентгеновских лучей. В общем случае коэффициент состоит из двух слагаемых
, (1.5)
где - коэффициент истинного поглощения (абсорбция), - коэффициент рассеяния. Все эти коэффициенты пропорциональны плотности вещества . Поэтому при проведении практических расчетов иногда пользуются атомными коэффициентами
, , , (1.6)
где А - молекулярная масса (масса одного моля), NА - постоянная Авогадро. Удобство введения этих коэффициентов состоит в том, что они имеют размерность площади. Теперь их можно интерпретировать как поперечное сечения атома по отношению к ослаблению, поглощению и рассеянию рентгеновских лучей. Атомный коэффициент поглощения рентгеновского излучения а пропорционален четвертой степени порядкового номера элемента, то есть а ~ Z4. Именно на этом основано применение рентгеновских лучей для просвечивания различных объектов. В качестве иллюстрации сравним коэффициенты поглощения рентгеновских лучей для костей и тканей человеческого тела. В состав кости входит фосфорнокислый кальций Са3(РО4)2, а поглощение ткани обусловлено водой Н2О. С учетом порядкового номера, плотности и молекулярных масс элементов показано, что коэффициент поглощения кости на порядок превышает таковой для ткани. Поэтому на рентгеновских снимках тень от кости выделяется более резко.
Если жесткое рентгеновское излучение взаимодействует с атомами легких элементов (графит, парафин), то наблюдают увеличение длины волны рассеянного излучения (эффект Комптона). Это обусловлено столкновением кванта излучения с электроном легкого атома (такой электрон можно считать практически свободным). Для количественного описания эффекта Комптона применяют законы сохранения энергии и импульса с учетом релятивистских эффектов. Несложные математические преобразования позволяют получить простое соотношение для изменения длины волны рассеянного излучения
, (1.7)
где - длина волны падающего излучения, ' - длина волны рассеянного излучения (' > ),
- угол между направлениями падающего и рассеянного излучений, с - комптоновская длина волны частицы рассеяния. Универсальная постоянная с выражается через фундаментальные физические константы
, (1.8)
где h - постоянная Планка, с - скорость света, m - масса частицы рассеяния. Для электрона комптоновская длина волны равна с = 2,4310-12 м (2,4310-3 нм).
Центральным узлом любой рентгеновской установки является катод. Он служит источником быстрых электронов для формирования рентгеновского излучения. Далее кратко остановимся на физическом принципе работы эмиттера с позиции фотоэффекта и термоэлектронной эмиссии.
1.3. ФОТОЭФФЕКТ И ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
Физический принцип работы эмиттера рентгеновских установок основан на корпускулярных свойствах электромагнитного излучения. Взаимодействие последнего с веществом свидетельствует о дискретном характере обмена энергией и импульсом между полем излучения и веществом. Поток энергии излучения представляет собой дискретные порции, которые получили название квантов или фотонов. Их энергия пропорциональна частоте излучения. Коэффициентом пропорциональности служит постоянная Планка.
Важной характеристикой материала эмиттера является работа выхода электронов. Под этим названием понимают работу электрона для преодоления сил, удерживающих его в объеме металла. Ее величина для различных металлов составляет несколько эВ. Так, например, для кристаллографической плоскости (111) вольфрама она составляет (4,34,4) эВ, а для плоскости (110) - 5,2 эВ. Работа выхода электронов из вольфрамового эмиттера зависит от степени чистоты соответствующей поверхности и газовой рабочей среды эмиттера. Поэтому данные по величине работы выхода электронов из вольфрама и его сплавов имеют значительный разброс.
Для получения рентгеновского излучения анод должен принимать сфокусированный пучок электронов. Их поставляет катод (эмиттер) вследствие термоэлектронной эмиссии. Физическую основу данного процесса составляет прохождение электронов через потенциальный барьер приповерхностного слоя катода. Для удаления электрона из металла требуется совершить определенную работу. Физически это означает, что потенциальная энергия электрона вне металла больше, нежели внутри него. На границе "металл-вакуум" потенциальная энергия электрона меняется скачкообразно. Если вблизи поверхности металла электрическое поле порядка 105 кВ/м, то электроны начинают покидать поверхность металла. Это явление получило название холодной эмиссии электронов из металла. Квантовый туннельный эффект достаточно логически объясняет это явление.
При отсутствии электрического поля поверхность металла покидают лишь те электроны, энергия которых превышает работу выхода. Если имеется внешнее электрическое поле, то потенциальный барьер для выхода электронов проводимости снижается. Эмиссионный ток резко возрастает в зависимости от приложенного электрического поля. Такая зависимость подчиняется соотношению Фаулера-Нордгейма [3,4]
, (1.9)
где - плотность эмиссионного тока, - напряженность электрического поля. Постоянные С1 и С2 зависят от фундаментальных физических констант и работы выхода электронов. Видно, что плотность тока эмиссии определяется напряженностью внешнего электрического поля. Электрическое поле может усиливаться на неоднородностях структуры приповерхностного слоя эмиттера. Это сопровождается возрастанием плотности эмиссионного тока. Этим процессом можно управлять путем создания приповерхностных структур для усиления внешнего электрического поля. Такими структурными элементами являются углеродные нанотрубки. Они усиливают приложенное электрическое поле и тем самым повышают плотность эмиссионного тока при более низких температурах. Это имеет самое непосредственное отношение к эмиттерам рентгеновских установок. Работа выхода электронов из нанотрубок (однослойных и многослойных) по оценкам разных авторов сопоставима с подобной характеристикой для металлов. Поэтому основной эффект использования нанотрубок при конструировании эмиттера рентгеновских систем заключается в усилении электрического поля для получения соответствующего эмиссионного тока. Естественно, практическая реализация подобного проекта для конкретных рентгеновских систем достаточно сложна в техническом отношении. Поэтому трудности вещественного исполнения заманчивой перспективы могут появиться в самом неожиданном месте.
Вместе с тем имеются рентгеновские установки, где плотность эмиссионного тока получают за счет нагрева катода. По мере повышения температуры интенсивность испускания электронов повышается. Максвелловское распределение испущенных электронов по скоростям приводит к тому, что электроны с более высокими скоростями достигают анода. Если все испущенные катодом электроны достигают анода, то эмиссионный ток достигает своего максимального значения и не зависит от анодного напряжения. Плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность катода, которая зависит от его материала и температуры. Эта зависимость подчиняется соотношению Ричардсона-Дэшмэна
, (1.10)
где - плотность тока насыщения, А - постоянная Ричардсона, Т - абсолютная температура, k - постоянная Больцмана, Ф - термоэлектронная работа выхода материала эмиттера. Постоянная Ричардсона зависит от фундаментальных физических констант
, (1.11)
где m - масса электрона, е - заряд электрона, k - постоянная Больцмана,
h - постоянная Планка. Сопоставление соотношений (1.10) и (1.11) показывает, что имеются только два параметра управления плотностью тока термоэлектронной эмиссии: температура и работа выхода электрона. Поэтому для увеличения эмиссионного тока следует увеличивать абсолютную температуру эмиттера и применять материалы с минимальным значением работы выхода электронов. Полный ток термоэлектронной эмиссии зависит также от площади поверхности эмиттера. Последняя является еще одним параметром управления для получения максимального значения полного тока эмиссии.
Краткое изложение физических принципов работы эмиттера рентгеновских установок не претендует на полноту представления. Детальное изложение затронутых вопросов выходит за рамки содержания монографии, основной задачей которой является обоснование преимуществ использования наноматериалов в элементах конструкции рентгеновской техники. Далее рассмотрим физический принцип работы анода, уделив внимание каналированию электронов при формировании тормозного рентгеновского излучения.