Ученые из НИУ БелГУ достигли значительного прогресса в разработке миниатюрных рентгеновских аппаратов, способных поместиться в смартфон. Они успешно определили параметры, необходимые для обеспечения стабильной и продолжительной работы таких компактных устройств. Детали исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
Крупные габариты современных медицинских и промышленных рентгеновских систем объясняются наличием объемных компонентов, таких как рентгеновская трубка, требующая высокого напряжения для генерации излучения, и детектор, заключенный в защитный корпус, как пояснили исследователи Белгородского государственного национального исследовательского университета (НИУ БелГУ).
В университете отметили, что это делает текущие аппараты труднопереносимыми, массивными и энергозатратными.
Андрей Олейник, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики НИУ БелГУ, объяснил, что, хотя увеличение рентгеновской трубки повышает мощность и проникающую способность излучения, а больший детектор обеспечивает более детальные изображения, во многих клинических и материаловедческих приложениях такая высокая производительность не требуется.
Исследователи НИУ БелГУ в сотрудничестве с учеными из Армении, Великобритании и Германии успешно установили условия, при которых кристалл танталата лития (LiTaO3) размером всего 1 см может стабильно и надежно испускать рентгеновские лучи с энергией, достаточной для медицинских нужд. Они обнаружили, что нагрев этих кристаллов на 10-20°C в вакуумной среде создает мощное электрическое поле, вызывающее рентгеновское излучение.
Ключевым фактором успеха стал закон циклического изменения температуры кристалла, синусоидальной формы. Это позволяет мягко регулировать амплитуду генерируемого поля, значительно уменьшая риск электрических пробоев, которые ранее приводили к нестабильности. Точная калибровка геометрии эксперимента, уровня остаточного газа и температурного профиля позволяет поддерживать стабильный режим работы или, напротив, провоцировать нестабильность, — пояснил Олейник.
Ученый напомнил, что примерно два десятилетия назад уже существовал аналогичный источник рентгеновского излучения. Он вызвал большой интерес благодаря своей компактности (немного больше спичечного коробка), функциональности и возможности работать от девятивольтовой батарейки. Однако производство этих пироэлектрических источников было прекращено из-за их нестабильной работы, после чего подобные разработки долгое время считались бесперспективными и неуправляемыми.
«Наша цель заключалась в устранении факторов, вызывающих нестабильность излучения, и мы успешно этого добились. Теперь необходимо адаптировать эти принципы для создания компактных устройств, пригодных для практического применения за пределами лабораторий. Подобные портативные рентгеновские аппараты найдут широкое применение в машинах скорой помощи, травматологических пунктах, на металлургических производствах и даже в ювелирной отрасли», — добавил Олейник.
В дальнейших планах исследователей — разработка прототипа портативного рентгеновского аппарата для анализа различных объектов, а также углубленное изучение основных механизмов генерации рентгеновских лучей. Кроме того, команда НИУ БелГУ вместе с британскими коллегами займется поиском новых материалов, способных эффективно преобразовывать тепло в электрическую энергию.
Дмитрий Верхов