Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Проект посвящен исследованию альтернативной возможности генерации быстрых нейтронов, рентгеновского и гамма излучения пироэлектрическими материалами - кристаллами и керамикой. Основной особенностью рассматриваемых процессов является использование пироэлектрических материалов в условиях вакуума в качестве генератора высокого электрического потенциала для дальнейшего ускорения заряженных частиц. Генерация быстрых нейтронов и рентгеновских фотонов происходит вследствие взаимодействия ускоренных электронов и ионов с конденсированным веществом, также как и в рентгеновских и нейтронных трубках. Первый год проведения проекта был посвящен проведению уточняющих исследований, необходимых в связи с существующими разногласиями в результатах различных авторов по тематике и недостаточной информативностью результатов, на основе которых затруднительно создать общую модель исследуемых процессов и предсказать поведение всей системы при изменении параметров генерации рентгеновского излучения и нейтронов. Тем не менее, были получены и принципиально новые результаты. 1. Выполнена модернизация экспериментального стенда и разработана автоматизированная система сбора данных посредством персонального компьютера. В результате, был создан уникальный по своим возможностям стенд, позволяющий проводить измерения спектров рентгеновского излучения в диапазоне 3 кэВ – 6 МэВ и нейтронов в диапазоне 0.1 – 12 МэВ. Разработанное программное обеспечение позволяет проводить измерения в режиме реального времени, одновременно фиксируя динамику изменения основных параметров процесса – температура пироэлектрических материалов, давление остаточного газа в камере и загрузку детекторов. 2. Выполнено исследование распределения потенциала на рабочей поверхности пироэлектрических кристаллов в зависимости от геометрии расположения кристалла и заземлённых элементов установки. Впервые удалось зафиксировать влияние расположения пьезоэлектрических осей пироэлектрических кристаллов на свойства генерирующегося рентгеновского излучения, в частности, показан анизотропный характер распределения генерирующегося рентгеновского излучения вдоль механической и пьезоэлектрической осей. Также, в рамках данного раздела был выполнен эксперимент, в рамках которого была апробирована возможность отклонения пучка ускоренных электронов пироэлектрическими дефлекторами, состоящими из двух пироэлектрических кристаллов, установленных в вакууме напротив друг друга. Поведение пучка электронов, отклонённого таким дефлектором, позволило определить потенциал, создаваемый кристаллами, а также его распределение и изменение с течением времени. Результаты эксперимента показали величину напряженности электрического поля между кристаллами 10.1 кВ / см при изменении температуры кристаллов всего на 1.5 градуса! 3. Выполнено измерение зависимостей величины потенциала на рабочей поверхности кристалла от давления остаточного газа в вакуумной камере, скорости изменения температуры кристалла, расстояния от кристалла до мишени, сорта остаточного газа. Основными результатами исследований по данному разделу стали измеренные границы областей изменения параметров процесса генерации рентгеновского излучения пироэлектрическими кристаллами, в которых интенсивность генерирующегося излучения близка к максимальной. Показано, что оптимальным диапазоном давления остаточного газа в камере для генерации рентгеновского излучения является область 1 – 4 мТорр. Показано, что для получения максимума электрического потенциала на поверхности пироэлектрического кристалла необходимо поддерживать скорость изменения температуры пироэлектрического кристалла в области 6-8 градусов Цельсия в минуту. Показано, что для обеспечения максимального электрического потенциала необходимо устанавливать расстояние между кристаллом и мишенью в диапазоне 10-12 мм. Показано, что максимальная энергия рентгеновского излучения для положительной и отрицательной полярностей поверхности кристалла выше у дейтерия (остаточный газ), чем у воздуха. По результатам проекта опубликовано две статьи в журналах из перечней SCOPUS Web of Science, принято участие в трёх международных конференциях. В целом, полученные результаты являются весьма важными для разработки источников рентгеновского излучения на основе использования пироэлектрических кристаллов, поскольку позволяют определить условия генерации рентгеновского излучения, при которых излучение имеет максимальную интенсивность.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проект посвящен исследованию альтернативной возможности генерации быстрых нейтронов, рентгеновского и гамма-излучения пироэлектрическими материалами – кристаллами и керамикой. Основной особенностью рассматриваемых процессов является использование пироэлектрических материалов в условиях вакуума, что позволяет достичь потенциала порядка 100 кэВ вследствие изменения температуры пироэлектриков. Данная особенность позволяет использовать пироэлектрические материалы в качестве генераторов высокого электрического потенциала для дальнейшего ускорения заряженных частиц. Генерация рентгеновского излучения обычно происходит вследствие взаимодействия ускоренных электронов с заземлённой проводящей мишенью также как и в рентгеновских трубках. Генерация нейтронов возможна, если использовать дейтерий в качестве остаточного газа, а дейтерированные вещества в качестве мишени, что позволяет реализовать условия для d-d ядерной реакции, в результате которой, в частности, генерируются нейтроны с энергией 2.45 МэВ. Если первый год проведения проекта был посвящен уточняющим и поисковым исследованиям, необходимым в связи с существующими разногласиями в результатах различных авторов по тематике исследований и недостаточной информативностью результатов, то второй год проекта посвящен проведению исследований, расширяющих возможности получения нейтральных частиц с помощью пироэлектрического эффекта, а также открывающих новые возможности для практического применения этого явления. Был получен ряд абсолютно новых результатов. Прежде всего, впервые была показана возможность генерации мягкого рентгеновского излучения с энергией меньше 1 кэВ с помощью пироэлектрического эффекта. Зарегистрированные линии характеристического излучения кислорода (энергия фотонов 523 эВ) и углерода (энергия фотонов 277 эВ) показали перспективу использования рассматривающегося эффекта для разработки источника мягкого рентгеновского излучения. Другой абсолютно новый результат – получение рентгеновского излучения при совмещении пироэлектрического и пьезоэлектрического эффектов в пироэлектрической керамике (поликристаллах). В рамках проекта была создана опытно-экспериментальная установка, позволяющая осуществлять управляемую деформацию пироэлектрической керамики и, тем самым, генерировать рентгеновское излучение. Показано, что при приложении силы в 5 кН к паре пироэлектрических образцов в определенном режиме возможно получить поток рентгеновского излучения энергией до 70 кэВ. Параметры генерируемого излучения позволяют рассчитывать на создание нового компактного пиро-пьезоэлектрического источника рентгеновского излучения с еще более низкой стоимостью благодаря дешевизне пироэлектрической керамики по сравнению с пироэлектрическими монокристаллами. Также показана возможность генерации рентгеновского излучения с помощью уже известного устройства – пьезоэлектрического трансформатора. Исследована возможность использования пироэлектрической керамики для получения острофокального источника рентгеновского излучения путём придания поверхности керамического образца, на которой образуется высокий потенциал, специальной формы. Показано, что данный подход позволяет добиться фокусировки потока ускоренных электронов на мишени, что ведёт к уменьшению размера фокального пятна рентгеновского источника Отдельно стоит отметить исследования, посвященные генерации быстрых нейтронов с помощью пироэлектрического эффекта. Впервые была показана возможность генерации нейтронов с помощью пироэлектрического эффекта при электрическом потенциале, генерируемом кристаллом, не более 50 кэВ. Зарегистрирован поток нейтронов около 60 нейтронов в секунду (усреднённая по времени величина), исследована зависимость выхода нейтронов от давления остаточного газа (дейтерия). Подобная конфигурация может использоваться для калибровки низкофоновых детекторов нейтрино и темной материи. Главная проблемой, снижающей эффективность генерации нейтронов, является обнаруженная деградация ионизатора молекул дейтерия (вольфрамовое наноострие), что приводит к снижению и нестабильности потока генерируемых нейтронов. Попытка заменить наноострие на массив углеродных нанотрубок не дала положительного результата с точки зрения генерации нейтронов. Однако, размещение углеродных нанотрубок на поверхности пироэлектрического монокристалла открыло новые возможности для генерации рентгеновского излучения, в частности, показано, что спектр генерируемого излучения зависит от типа используемого массива УНТ (возможно увеличение энергии и выхода излучения), а также, что рабочий диапазон давления для источника с УНТ смещается в сторону меньшего давления. Полученные результаты открывают новую область исследования, объединяющую пироэлектрические материалы и наноструктуры, что интересно как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Подводя итоги второго года проекта, можно с увереностью сказать, что благодаря проекту были получены абсолютно новые ценные результаты, расширяющие спектр генерируемого излучения (мягкое рентгеновское излучение), применяемых пироэлектрических материалов и способов генерации электрического потенциала (эксперименты с пироэлектрической керамикой с получением высокого потенциала путем деформации керамики и приложения переменного напряжения), применения исследуемого эффекта (показанная возможность получения нейтронов при пониженном электрическом потенциале, что открывает путь к применению подобных источников в низкофоновых детекторах). Кроме того, проведенные исследования имеют и фундаментальную ценность, что и показывает открытие ранее неизвестных эффектов, связанных с влиянием присутствия наноструктур на поверхности пироэлектрических материалов. С прикладной точки зрения удивительной особенностью возможного источника рентгеновского излучения и нейтронов на основе пироэлектриков является возможность его работы от изменения температуры рабочего элемента – пироэлектрического кристалла или пироэлектрической керамики. Так, источник можно нагреть огнём спички или просто опустить в стакан горячей воды, и он будет излучать рентгеновское излучение. В отличие от рентгеновских трубок источник не имеет опасного внешнего источника высокого напряжения, его также не нужно специально утилизировать как радиоактивные источники, поскольку он не имеет радиоактивных или токсичных компонентов и не нанесёт вред окружающей среде при утилизации. Сейчас исследования продолжаются, и полученные результаты позволяют утверждать, что источник может быть использован для измерения элементного состава вещества, в медицине для рентгеновских снимков и в науке для калибровки рентгеночувствительного оборудования. Ещё одной важной особенностью исследуемого подхода является возможность генерации потока нейтронов, что крайне важно для различных областей науки. По результатам второго года проекта опубликовано три статьи в журналах из перечней SCOPUS и Web of Science (ещё одна статья прошла первичное рецензирование и находится на обработке в редакции, журнал «AIP Advances»), принято участие в четырех международных конференциях. Работа коллектива по работам, финансируемым фондом, привлекла внимание широкой общественности и освещалась телевидением как регионального уровня (https://www.youtube.com/watch?v=1QvgRCOw6p8), так и федерального (https://www.vesti.ru/videos/show/vid/737780/ – сюжет начинается с 13-ой минуты, 30-ой секунды).

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В работе выполнены исследования нестандартных подходов к генерации рентгеновского излучения и быстрых нейтронов на основе использования пироэлектрического эффекта, реализующегося в условиях вакуума, что позволяет получить электрический потенциал порядка 10-100 кВ при изменении температуры пироэлектрических образцов на величину порядка 10 градусов. Дополнительно исследуемым процессом является изучение возможности применения пьезоэлектрического эффекта для генерации рентгеновского излучения при деформации пьезоэлектриков. Результаты работы могут быть использованы для разработки новых источников рентгеновского излучения и быстрых нейтронов для прикладного использования. В частности, получены следующие наиболее важные результаты: 1. Впервые показана высокая эффективность генерации рентгеновского излучения при импульсном локальном взаимодействии лазерного излучения с рабочей поверхностью кристалла ниобата лития, когда на рабочей поверхности кристалла создаётся локально нагретая область с температурным градиентом порядка 10 град./мм. 2. В работе впервые предложен и испытан принципиально новый подход к генерации рентгеновского излучения на основе использования пьезоэлектрического эффекта в условиях вакуума (основа данных работ заложена в исследованиях по проекту в 2017г.), инициируемого механической деформацией пьезоэлектрической керамики. Полученные результаты позволяют рассчитывать на создание нового миниатюрного источника рентгеновского излучения, работающего на основе пьезоэффекта. Измерения показали возможность генерации рентгеновского излучения с энергией до 60 кэВ, при этом, такой источник не использует никаких электрических источников питания, а его интенсивность ожидается большей по сравнению с источниками на основе пироэлектрического эффекта. 3. Исследована генерация рентгеновского излучения и нейтронов, когда пучок ускоренных электронов образуется вследствие взаимодействия лазера с рабочей поверхностью кристалла, на которой уже сформирован отрицательный заряд в условиях высокого вакуума. Показана возможность резкого кратковременного увеличения интенсивности генерации рентгеновского излучения (до 10 раз) при облучении поверхности кристалла за счёт увеличения тока эмиссии электронов с поверхности кристалла при облучении. 4. Испытана схема генерации рентгеновского излучения, инициируемого пьезоэлектрическим трансформатором, рабочая часть которого установлена в вакууме. Измерения показали возможность получения квазинепрерывного потока рентгеновского излучения с энергией порядка 10 кэВ. Данная схема выгодно отличается отсутствием явной цикличности генерируемого излучения.