Physical Review Letters: Разгадана тайна механизма выброса рентгеновских лучей

С 1960-х годов ученые, которые изучают рентгеновское излучение, молнии и другие подобные явления, заметили нечто необычное. Когда они проводят эксперименты в лаборатории, чтобы воспроизвести эти явления, то обнаруживают, что электроны, ускоряющиеся между двумя электродами, могут иметь больше энергии, чем ожидалось.

Это противоречит физическому предположению о том, что энергия электронов должна соответствовать напряжению.

Исследователи из Пенсильванского университета говорят об этом противоречии уже несколько десятилетий, но до сих пор не могли понять, почему так происходит.

Недавно группа исследователей из Пенсильванского университета использовала математическое моделирование для объяснения механизма, лежащего в основе этого явления. Свои результаты они опубликовали в журнале Physical Review Letters.

В лабораторных экспериментах напряжение подается между двумя электродами, которые являются проводниками. Затем электроны, отрицательно заряженные частицы, ускоряются через зазор, который может быть газом или вакуумом, — говорит Виктор Паско, профессор электротехники в Penn State и соответствующий автор исследования.

Энергия, которую могут набрать электроны, должна соответствовать приложенному напряжению, но во всех этих экспериментах энергия превышала напряжение в два-три раза, и это было загадкой.

С помощью математического моделирования Паско и его команда продемонстрировали, что за это отвечает процесс обратной связи по энергии.

По словам Паско, когда электроны взаимодействуют с материалом электрода, они испускают рентгеновские лучи, которые состоят из фотонов — безмассовых, лишенных заряда частиц, из которых состоит свет. Некоторые из этих фотонов распространяются назад, позволяя большему количеству электронов высвободиться из другого электрода.

Небольшая группа этих электронов обладает энергией, соответствующей первоначальной энергии. Затем они снова ускоряются, и процесс продолжается несколько циклов. Паско и его команда смоделировали этот очень высокоэнергетический процесс.

По словам Паско, их модель также помогла объяснить, почему электроды разных форм и материалов дают этот эффект в разной степени.

Мы видим, что максимальный эффект достигается при использовании плоских электродов, а минимальный — при использовании электродов, похожих на иглы, — сказал Паско.

Это имеет смысл, поскольку большая площадь поверхности плоских электродов способствует взаимодействию между электронами и фотонами и их отскоку назад и вперед. Когда площадь поверхности уменьшается, эффект сводится к минимуму.

Исследователи также изучили с помощью симуляции и моделирования, как это явление проявляется в различных материалах.

Вольфрам — стандартный материал, используемый для производства рентгеновских лучей, и мы знаем, что он хорошо подходит для этого. Это надежный материал для производства электронов, используемый в настоящее время в рентгеновских аппаратах, — сказал Паско.

В нашем исследовании мы рассмотрели множество других материалов, и, используя нашу модель, мы смогли обобщить свойства материалов, которые приводят к максимальным эффектам.

По словам исследователей, их выводы могут быть полезны для разработки новых способов получения рентгеновских лучей в будущем. В частности, работа может стимулировать новые исследования по получению энергичных электронов из твердых материалов, что потенциально позволит сделать рентгеновские аппараты более быстрыми и компактными.

В 2009 году в Лондоне рентген признали самым важным открытием.

04.12.2024