Specialists from Belgorod State University (BelSU) have made a significant step towards creating portable X-ray machines comparable in size to a smartphone. Scientists have identified the conditions necessary for stable and durable operation of such miniature devices. The research findings are published in Scientific Reports.
Traditional medical and industrial X-ray units are typically large, difficult to transport, and consume considerable amounts of energy. This is due to their primary components: the X-ray tube, which generates radiation under high voltage, and the shielded detector.
While enlarging these components increases the power and penetrating ability of X-rays, as well as the accuracy of the resulting images, such high specifications are often unnecessary for many tasks in medical diagnostics and material analysis. This was stated by Andrey Oleynik, an associate professor at BelSU`s Department of Theoretical and Experimental Physics.
An international team of researchers from BelSU, along with colleagues from Armenia, the UK, and Germany, has established optimal conditions for the pyroelectric generation of X-rays using a lithium tantalate (LiTaO3) crystal, merely 1 cm in size. To generate X-ray radiation, it is sufficient to raise the crystal`s temperature by 10-20 °C in a vacuum, which creates a strong electric field.
«The key parameter ensuring success is the cyclical temperature change law of the crystal, resembling a sinusoid. This approach allows for smooth adjustment of the generated field`s amplitude and sharply reduces the probability of electrical breakdowns that previously led to instabilities. Fine-tuning the experimental geometry, residual gas pressure, and temperature change law enables achieving a stable operating mode, or conversely, falling into an unstable one.»
Oleynik recalled that about two decades ago, similar compact X-ray sources were introduced, which caused a sensation due to their functionality, 9-volt battery power, and dimensions slightly larger than a matchbox. However, due to unstable radiation, the production of such sources ceased after several years, and no one else attempted to produce pyroelectric sources, deeming them inefficient and uncontrollable.
«We set ourselves the goal of eliminating the causes of particle generation instability, and we succeeded. Now, these principles need to be transferred into a compact form for real-world use outside of laboratories. Such portable X-ray devices could be workhorses in ambulances, emergency rooms, steel foundries, and even in jewelry making.»
In the future, specialists plan to assemble a prototype portable device for analyzing real objects using X-ray radiation and to explore fundamental questions related to the mechanisms of X-ray emission. Additionally, the BelSU team, in collaboration with British scientists, will investigate materials capable of efficiently converting thermal energy into electricity.
Разработка компактного рентген-аппарата размером со смартфон в Белгороде
Сотрудники НИУ БелГУ сделали значительный шаг к созданию портативных рентгеновских аппаратов, сравнимых по размеру со смартфоном. Ученые определили условия, необходимые для стабильной и долговечной работы таких миниатюрных устройств. Подробности исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
Традиционные медицинские и промышленные рентгеновские установки громоздки и сложны в транспортировке, а также требуют значительных энергозатрат. Это связано с их основными компонентами: рентгеновской трубкой, генерирующей излучение под высоким напряжением, и защищенным детектором.
Хотя увеличение этих элементов повышает мощность и проникающую способность рентгеновских лучей, а также точность получаемых изображений, для многих задач в медицине и материаловедении такие высокие характеристики избыточны. Об этом заявил доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики НИУ БелГУ Андрей Олейник.
Международная команда исследователей из НИУ БелГУ, а также их коллеги из Армении, Великобритании и Германии, установила оптимальные условия для пироэлектрической генерации рентгеновских лучей с помощью кристалла танталата лития (LiTaO3) размером всего 1 см. Для генерации рентгеновского излучения достаточно повысить температуру кристалла на 10-20 °C в условиях вакуума, что создает мощное электрическое поле.
«Ключевым параметром, обеспечивающим успех, является закон циклического изменения температуры кристалла, имеющий синусоидальную форму. Такой подход позволяет плавно регулировать амплитуду генерируемого поля и существенно снижает риск электрических пробоев, которые ранее вызывали нестабильность. Точная настройка параметров эксперимента, таких как геометрия, давление остаточного газа и температурный режим, позволяет достичь стабильной работы или, наоборот, привести к нестабильности».
Олейник напомнил, что около двух десятилетий назад уже предпринимались попытки создать компактные рентгеновские источники размером чуть больше спичечного коробка, питающиеся от 9-вольтовой батарейки. Эти устройства произвели фурор, но из-за нестабильности излучения их производство было прекращено, и пироэлектрические источники стали считаться неэффективными и неуправляемыми.
«Наша цель состояла в устранении причин нестабильности генерации частиц, и мы ее достигли. Теперь необходимо адаптировать эти принципы для создания компактных устройств, пригодных для реального использования вне лабораторных условий. Такие портативные рентгены найдут применение в машинах скорой помощи, травмпунктах, на производстве, например, в сталелитейных цехах, и даже в ювелирном деле».
В дальнейшем ученые планируют разработать рабочий прототип переносного рентгеновского аппарата для анализа различных объектов и продолжить фундаментальные исследования механизмов генерации рентгеновских лучей. Кроме того, коллектив НИУ БелГУ и британские ученые будут изучать новые материалы для эффективного преобразования тепловой энергии в электрическую.
