JP5922158B2 - 摩擦ｘ線源 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１１年３月１１に提出された米国仮特許出願第６１／４５１，６９４の優先権を主張する。同仮特許出願は、その内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本願発明は、ＡＲＭＹ／Ｍｅｄｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉｅｌ Ｃｏｍｍａｎｄから与えられた米国連邦政府補助金第Ｗ８１ＸＷＨ−１０−１−１０４９号の援助を受けてなされた。米国政府は本願発明に関する一定の権利を有する。

本願発明の分野は、摩擦Ｘ線源に関する。

初期のＨａｕｋｅｓｂｅｅ（Ｆ．Ｈａｕｋｅｓｂｅｅ，Ｐｈｙｓｉｃｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｕｂｊｅｃｔｓ（Ｌｏｎｄｏｎ： １７０９））の静電装置からｖａｎ ｄｅｒ Ｇｒａａｆの自身の名前に基づいた名称を持つ生成器まで３世紀に亘って、摩擦電気は高い静電電位の生成源として基礎科学研究に用いられ続けてきたが、当該主題においては理にかなった第１のアプローチが不在のままとなっている（Ｍ．Ｓｔｏｎｅｈａｍ，Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ Ｓｉｍｕｌ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．１７，０８４００９（２００９））。静電生成器は２つの材料が互いに摩擦接触して擦れ合った時に生成される統合された電荷を蓄積する。選択される材料は、帯電する材料および電荷の極性の特性を示す、実験に基づき抽出されたリストである帯電列において互いに最も離れたものである（Ｐ．Ｅ．Ｓｈａｗ，Ｐｒｏｃ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．Ａ ９４，１６（１９１７））。２つの材料の接触点おいて、摩擦帯電の程度は、当該材料の周囲の気体をイオン化し、摩擦ルミネセンスを引き起こす程である。圧力に敏感な接着（ＰＳＡ）テープを剥離する際に観察される摩擦ルミネセンスは長くに亘って科学の興味の対象であり（Ｅ．Ｎ．Ｈａｒｖｅｙ，Ｓｃｉｅｎｃｅ ８９，４６０（１９３９））、静電に関する研究に起源を有する。テープが剥離されると、剥離されたばかりの領域の表面に、１０１２ｅ ｃｍ^−２（ｅは電子の基本的な電荷である）の電荷密度が曝され、続いて放出される（Ｃ．Ｇ．Ｃａｍａｒａ，Ｊ．Ｖ．Ｅｓｃｏｂａｒ，Ｊ．Ｒ．Ｈｉｒｄ ａｎｄ Ｓ．Ｐ．Ｐｕｔｔｅｒｍａｎ，Ｎａｔｕｒｅ ４５５，１０８９（２００８））。〜１０ミリトルの真空でテープが剥離されると、生成された摩擦ルミネセンスは、Ｘ線エネルギーにまで拡大することがわかっている（Ｖ．Ｖ．Ｋａｒａｓｅｖ，Ｎ．Ａ．Ｋｒｏｔｏｖａ ａｎｄ Ｂ．Ｗ．Ｄｅｒｙａｇｉｎ，Ｄｏｋｌ．Ａｋａｄ．Ｎａｕｋ．ＳＳＲ ８８ ７７７（１９５３））。より最近になって（Ｃａｍａｒａら、同文献）、真空でテープを剥離する際の摩擦帯電には２つの時間尺度があることが分かった。１つ目は静電生成器および旧来からの静電に関する実験に共通のものであり（Ｗ．Ｒ．Ｈａｒｐｅｒ，Ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｄ ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，（Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９６７））、テープの表面上において平均１０１０ｅ ｃｍ^−２の電荷密度が維持されることになる長い時間尺度処理である。２つ目は、１０１２ｅ ｃｍ^−２の電荷密度であるナノ秒の処理である。加えて、テープの剥離によって放出されるＸ線は、人の指の指節間の間隔を分析出来る程、剥離の線においてそれ自体で十分に平行となっていることが分かっている。ナノ秒レベルのＸ線パルスを放射することにより、放射領域の推定を計算出来た。続く、幅が１．５ｍｍのＰＳＡテープを剥離した研究によって、プロセスが３００μｍ未満の寸法において起こることが確認された（Ｃ．Ｇ．Ｃａｍａｒａ，Ｊ．Ｖ．Ｅｓｃｏｂａｒ，Ｊ．Ｒ．Ｈｉｒｄ ａｎｄ Ｓ．Ｐ．Ｐｕｔｔｅｒｍａｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ ９９，６１３（２０１０））。この結果は、摩擦電気効果に基づくサブｍｍのアレイからなる複数要素のＸ線源を実現する可能性を示した。

摩擦電気に関するこの最近の研究を支持しているのは、異なる材料間、特にポリマー間で電荷がどのように移動するかという疑問に改めて関心が集まっているという事実である。特に興味深いのは、互いに似通ったポリマー同士が互いに帯電するという報告である（Ｍ．Ｍ．Ａｐｏｄａｃａ，Ｐ．Ｊ．Ｗｅｓｓｏｎ，Ｋ．Ｊ．Ｍ．Ｂｉｓｈｏｐ，Ｍ．Ａ．Ｒａｔｎｅｒ ａｎｄ Ｂ．Ａ．Ｇｒｚｙｂｏｗｓｋｉ，Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．４９，９４６（２０１０））。さらに基本的には、移動する粒子がイオンであるのか（Ｌ．ＭｃＣａｔｈｙ ａｎｄ Ｇ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．４７，２１８８（２００８））、電子であるのか（Ｈａｒｐｅｒ、同文献）という数世紀にも亘る実験研究にも関わらず依然として議論されている未解決の問題である。摩擦帯電を引き起こす電荷担体が電子であるかイオンであるかに関わらず、非常に高い電荷密度が容易に生成されるということははっきりしている。

最も効果的に帯電を引き起こすには、材料同士の密な接触、および接触面の清潔さが重要である（Ｒ．Ｂｕｄａｋｉａｎ，Ｋ．Ｗｅｎｉｎｇｅｒ，Ｒ．Ａ．Ｈｉｌｌｅｒ ａｎｄ Ｓ．Ｐ．Ｐｕｔｔｅｒｍａｎ，Ｎａｔｕｒｅ ３９１，２６６（１９９８））。ＰＳＡテープの剥離のジオメトリは数学的に見事であり（Ａ．Ｄ．ＭｃＥｗａｎ ａｎｄ Ｇ．Ｉ．Ｔａｙｌｏｒ，Ｊ．Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ．２６，１（１９６６））、両方の基準を満たしてはいるが、高電圧源を必要としない携帯型のＸ線源においてこれらを用いることの不利な点は、市販のテープを真空内で剥離する際に起こる顕著な気体放出である（Ｅ．Ｃｏｎｓｔａｂｌｅ，Ｊ．Ｈｏｒｖａｔ ａｎｄ Ｒ．Ａ．Ｌｅｗｉｓ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９７，１３１５０２（２０１０））。よって、改善された摩擦Ｘ線源の必要性は依然として存在する。

本願発明の一実施形態に係る、少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源は、封入器と、封入器内で第１接触面を有して配置される第１接触部と、封入器内で第２接触面を有して配置される第２接触部と、第１接触部および第２接触部のうち少なくとも一方と動作可能に接続されたアクチュエータアセンブリとを含む。アクチュエータアセンブリは、動作中、第１接触面と第２接触面とを反復して接触および分離させる。第１接触面は第１摩擦材料からなる表面であり、第２接触面は第２摩擦材料からなる表面であり、第１摩擦材料からなる表面は、第２摩擦材料からなる表面に対して負の摩擦電位を有する。第２接触部は、第１接触面から第２接触面に移動する電子により励起され得る量子エネルギー励起状態を有する原子を組成中に含む材料を有し、原子は、量子エネルギー励起状態から低エネルギー状態へ遷移すると少なくとも１つの狭エネルギー帯に含まれるエネルギーを有するＸ線を放射する。封入器は、第１接触面および第２接触面が曝される大気環境の制御を行う。

本願発明の一実施形態に係る、少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線アレイを生成するＸ線源アレイは、アレイ状に配置された複数の摩擦Ｘ線源を含む。複数の摩擦Ｘ線源のそれぞれは、封入器内で第１接触面を有して配置される第１接触部と、封入器内で第２接触面を有して配置される第２接触部と、第１接触部および第２接触部のうち少なくとも一方と動作可能に接続されたアクチュエータアセンブリとを有する。アクチュエータアセンブリは、動作中、第１接触面と第２接触面とを反復して接触および分離させる。第１接触面は第１摩擦材料からなる表面であり、第２接触面は第２摩擦材料からなる表面である。第１摩擦材料からなる表面は、第２摩擦材料からなる表面に対して負の摩擦電位を有する。第２接触部は、第１接触面から第２接触面に移動する電子により励起され得る量子エネルギー励起状態を有する原子を組成中に含む材料を有し、原子は、量子エネルギー励起状態から低エネルギー状態へ遷移すると少なくとも１つの狭エネルギー帯に含まれるエネルギーを有するＸ線を放射する。封入器は、第１接触面および第２接触面が曝される大気環境の制御を行う。

他の目的および効果は説明、図面、および例から明らかになるであろう。
図１は、本願発明の一実施形態に係るＸ線源の概略図であり、Ｘ線源はシリコーンロッドとエポキシ基板とを接触状態および非接触状態にし、エポキシ基板１０６は、厚さが３．５ｍｍであり、〜１０ｍｍの直径を有する円柱状のシリコーンロッド１０２の跡（ｉｍｐｒｉｎｔ）を有しており、シリコーンはピンによりテフロン（登録商標）マウント１１８を介してソレノイド１１２へ取り付けられており、ソレノイドの電機子は、テフロン（登録商標）ブロック１２０に搭載されたエポキシ基板側へ２つの引っ張りばね１１４、１１６により引っ張られており、ソリッドステートＸ線検出器１２２が６５度の角度でＸ線源から７ｃｍだけ離れた位置に配置されており、エポキシ基板１０６とシリコーンロッド１０２との離間距離は０〜５ｍｍの範囲で変化させることが出来、Ｘ線源は最大２０Ｈｚで動作出来ることが分かっている。 図２は、シリコーンゴムと接触するモリブデンが添加されたエポキシ樹脂（薄い影付き）または銀が添加されたエポキシ樹脂（濃い影付き）を用いて１Ｈｚで６０秒間の間、動作させた図１のＸ線源のＸ線放射スペクトルを示し、最大離間距離は５ｍｍであり、スペクトルの分解は機器の制限を受けた。 図３は、図１のＸ線源（シリコーン−Ａｇ−エポキシ樹脂システム）を０．５Ｈｚ、５ｍｍの離間距離、および１ミリトルで動作させた場合の到達時間の関数としてプロットされた個々のＸ線光子を示し、Ｘ線は開放サイクル中、継続的に放射され、１秒より長い時間、ＡｇのＫ線を励起するのに十分な強度であり、差し込み図は、最初の１００ミリ秒（黒）および最後の１００ミリ秒（影付き）の放射された光子のスペクトルを示し、サイクル全体に亘りスペクトルの差異がないことを示している。 図４は、１０Ｈｚで動作する図１のＸ線源の圧力の関数としてのＡｇが添加されたエポキシ樹脂のＸ線放射スペクトルを示し、真空圧力を１ミリトル（薄い影付き）から３０ミリトル（濃い影付き）へ変化させることによるスペクトルの変化を示し、かつ、高い圧力においてＡｇのＫ線が存在していないことを示し、差し込み図は、Ｘ線放射の時間的縮小を示す、３０ミリトルの真空圧力において１秒間の間に記録したＸ線光子のヒストグラムである。 図５は、２０ミリトルの圧力で動作するＡｇ−エポキシ樹脂−シリコーンシステムの異なる複数の繰り返し数で生成されるＸ線フラックスをそれぞれ示し、差し込み図は、短いサンプル時間の間のスケーリングがおよそ線形であることを示す。 図６は、本願発明の他の実施形態に係るＸ線源を示す。 図７は、低圧力のネオン雰囲気で動作する、図６のＸ線源を示す写真である。 図８は、本願発明の一実施形態に係るＸ線源アレイの概略図である。 図９は、図８のＸ線源アレイの４分の１を示す概略分解図である。 図１０は、図８のＸ線源アレイに含まれる２つの摩擦Ｘ線源の断面概略図である。 図１１Ａは、本願発明の他の実施形態に係るＸ線源アレイの一部を切り取った概略斜視図である。 図１１Ｂは、図１１ＡのＸ線源アレイの概略図であり、封入機の一側面が取り除かれた状態を示す。

本願発明のいくつかの実施形態を以下に詳細に説明する。実施形態の説明において、説明を明確にすべく特定の用語を用いる。しかし本願発明は、そのように選択される特定の用語によって限定されない。当業者であれば、本願発明の幅広い概念から逸脱することなく他の同等のコンポーネントを用いることが可能であり、他の方法を実施することが可能であることを理解されよう。背景技術および発明を実施するための形態の項を含む本明細書のあらゆる箇所において参照される参考文献は全て、それぞれが組み込まれるかのように参照により組み込まれる。

本願発明のいくつかの実施形態は、高電圧電源を必要としない低コストのＸ線源を提供する。一実施形態においてＸ線源は、アクチュエータ（例えば、圧電気、電気機械的な力、磁気歪み、または人的エネルギーを用いて動きを生み出すデバイス）を用いて、真空内で反復して接触状態および非接触状態にさせられる２つの摩擦材料を備える。１つの材料は、ポリマーまたはモノマー（シリコーン、ビニル、ラテックス、ＥＰＤＭ、テフロン（登録商標）など）であってよいがそれらに限定されないカソードである。他方の材料はアノードを提供し、金属、若しくは、制動放射の効率を向上させ、特徴的なＸ線のラインを生成するべく金属材料が充填されるプラスチップ、セラミック、ポリマー、モノマー、またはエポキシドなどである。当該Ｘ線源は、Ｘ線撮像、元素分析、および分光法などに用いることが出来、Ｘ線が用いられる多くの分野において新たな可能性を開き得る。

本願発明のいくつかの実施形態は、ＰＳＡテープを組み込んだシステムよりも優れた多くの利点を提供する。それら利点の例としては以下のようなものが挙げられる。電界を増やすべく、または特定の形状のＸ線源を形成すべく配置が変更され得る。真空内での気体放出を低減出来る。要素の特徴的なラインを生成すべく、Ｘ線のスペクトルを制御できる。より迅速な放電を促すよう接触面を設計し得る。Ｘ線源はさらに小型化され得、個々の要素をアレイ状に配置できる。Ｘ線放射は、接触の繰り返し数、気体の構成および圧力、温度、接触により生じる応力、表面粗さ、表面剛性によって制御出来る。

本願発明のいくつかの実施形態に係るＸ線源は、Ｘ線が用いられる分野において適用され得、加えて、新たな市場を開拓し得る。適用例としては、コスト、または遠隔地での電源の不在が課題となる医療分野における撮像が挙げられる。他の適用例としては、地質学または材料科学などにおける蛍光Ｘ線および元素分析が挙げられる。しかし、本願発明の幅広い概念は、これらの特定の例に限定されない。

図１は、本願発明の一実施形態に係る、少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源１００の概略図である。Ｘ線源１００は、封入器（図１には示さず）と、封入器内で第１接触面１０４を有して配置される第１接触部１０２と、封入器内で第２接触面１０８を有して配置される第２接触部１０６と、第１接触部１０２および第２接触部１０６のうち少なくとも一方と動作可能に接続されたアクチュエータアセンブリ１１０とを含む。アクチュエータアセンブリ１１０は、動作中、第１接触面１０４と第２接触面１０８とを反復して接触および分離させる。第１接触面１０４は第１摩擦材料からなる表面である。第２接触面１０８は第２摩擦材料からなる表面である。第１摩擦材料からなる表面はＸ線源の動作中、第２摩擦材料からなる表面に対して負の摩擦電位を有する。第２接触部１０６は、第１接触面１０４から第２接触面１０８に移動する電子により励起され得る量子エネルギー励起状態を有する原子を組成中に含む材料を有する。原子は、量子エネルギー励起状態から低エネルギー状態へ遷移すると少なくとも１つの狭エネルギー帯に含まれるエネルギーを有するＸ線を放射する。封入器は、第１接触面および第２接触面が曝される大気環境の制御を行う。

Ｘ線の「狭エネルギー帯」という用語は、原子内電子エネルギーレベルなど複数の量子化エネルギーレベル間での遷移が起こることによって放射されるＸ線のタイプを指す。これに限定されるわけではないがドップラー拡がりなどエネルギー帯のいくらかの拡がりが、「狭エネルギー帯」の定義に含められてもよい。また狭エネルギー帯は、Ｘ線を放射する原子が磁界にある場合など、狭エネルギー帯の微細構造を含んでもよい。限定されるわけではないがこれにはＫ線が含まれ得る。またこれには、Ｌ線および／または他の転移線が含まれ得る。

本願発明のいくつかの実施液体において、原子は、第１接触面１０４から第２接触面１０８に移動する電子により励起され得る複数の量子エネルギー励起状態を有し得る。この場合、原子は、複数の量子エネルギー励起状態から低エネルギー状態へ遷移すると複数の狭エネルギー帯に含まれるエネルギーを有するＸ線を放射する。

いくつかの実施形態において、第２接触部１０６は、第１接触面１０４から第２接触面１０８に移動する電子により励起され得る量子エネルギー励起状態をそれぞれが有する複数の原子を組成中に含む材料を有する。この場合、複数の原子は、各量子エネルギー励起状態から対応する低エネルギー状態へ遷移すると複数の狭エネルギー帯のそれぞれに含まれるエネルギーを有するＸ線を放射する。言い換えるといくつかの適用例において特定の原子は、複数の有用なＸ線を提供し得る。他の適用例において、２つ、３つ、４つ、またはそれ以上の原子を第２接触部１０６において用い、複数の線を生成するＸ線源を提供してもよい。

原子のＫ線は、Ｚを原子番号とした場合、およそＺ−１の二乗に比例して増加する。よって、高い狭エネルギー帯のＸ線源が必要とされる適用例において、第２接触部１０６に、より大きな原子番号Ｚを有する原子を含めることを考慮してもよい。例えばいくつかの適用例において、少なくとも１３の原子番号Ｚを有する原子が望ましい。いくつかの実施形態において、Ｘ線の狭エネルギー帯を放射する原子を含む材料は、第２摩擦材料となり得る。例えばいくつかの実施形態において第２接触部１０６は、金属からなる接触部である。いくつかの適用例において適切であり得る例は、第２接触部１０６に鉛（Ｐｂ）を用いることである。しかし本願発明の幅広い概念はこれらの例に限定されない。他の実施形態において、摩擦特性、および／または他の特性に基づいて第２摩擦材料を選択してもよく、所望される狭エネルギー帯のＸ線を提供する原子を有する材料を追加で選択してもよい。材料の他の特性は、コスト、安全性、製造可能性、所望される原子を含む材料と組み合わせられるかどうかなど実用性に関する特性であってよい。例えばいくつかの適用例において、第２摩擦材料はエポキシ樹脂であり、原子を有する材料は金属である。いくつかの実施形態において、ポリマーが第１摩擦材料に適していることがわかっている。しかし、本願発明の幅広い概念は、これらの特定の例に限定されない。

いくつかの実施形態において、第１摩擦材料および第２摩擦材料は、第１接触面において電荷密度が少なくとも１０^１０電子／ｃｍ^−２となるよう選択される。

アクチュエータアセンブリ１１０は、第１接触面と第２接触面とを反復して接触および分離させる電気システム、水圧システム、および空気圧システムのうち少なくとも１つを含んでよい。アクチュエータのいくつかの特定の実施形態を以下により詳細に説明する。しかし本願発明は、これら特定の例に限定されない。

上述したように本願発明のいくつかの実施形態は、ＰＳＡテープを用いない摩擦電気に基づく単純なＸ線源を提供する。特定の実施形態をより詳細に説明する。図１に図示するＸ線源１００は、直流１２Ｖの「プルタイプ」のソレノイド１１２、および、遅延発生器（ＳＲＳ ＤＧ５３５）からのＴＴＬパルスにより起動させられる、関連付けられたドライバを含む。シリコーンロッド（直径８ｍｍ）周りに平滑なシリコーンゴム（厚さ１．６ｍｍ／６０Ａデュロメータ）のシリンダが形成され、ソレノイドの電機子の端部に搭載されており、ハンマー（円柱半径〜５ｍｍ）を形成し、第１接触部１０２を提供している。シリコーンとエポキシ樹脂とが接触するようにソレノイド１１２のボディから電機子を引き離す引っ張りばね１１２、１１４を用いて、厚さ３．５ｍｍの成形されたエポキシ樹脂（Ｄｅｖｃｏｎ Ｎｏ．１４２７０）にハンマーが衝突する。搭載する前にシリコーンをエチルアルコールで超音波処理し、表面を洗浄する。エポキシ基板と良好に接触するように、当該基板に接触させる前に（同様の組成の）エポキシ樹脂から成る薄膜が当該基板に適用される。これが乾くまで１５分待つ。エポキシ樹脂はシリコーンに付着しないので分離されると、シリコーンは基板の形状に沿って中心部が多少盛り上がった（ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｐｒｏｕｄ ｏｆ）円柱状のレリーフとなる。接触部は、６４±５ｍｍ^２の見掛けの接触面積（第２接触面１０８）を有する。

粉末状の元素金属をエポキシ樹脂に加えてもエポキシ樹脂バインダの摩擦帯電挙動を損なわないことが分かっている。以下の例では、モリブデン（１〜２μｍ）および銀（４００メッシュ）の粉末を添加した。エポキシ基板は同時に成形し、アプリケーターガンおよびミキサーノズルを用いてエポキシ樹脂を分注してポリスチレンの秤量皿で重量を計測した。金属充填剤を用いた場合にはエポキシ樹脂が添加される前に最初に重量が計測され、木製の攪拌棒を用いて十分に撹拌が行われる。

乾式のポンプを用いるターボ分子ポンプにより真空とされた真空チャンバーにＸ線源を設置した。真空圧力はＮ_２に関して較正したピラニ真空計（ＳＲＳ ＰＧ１０５）および制御器（ＳＲＳ ＩＧＣＩＯＯ）を用いて計測した。真空チャンバーのブリード弁によって圧力は可変である。２５ｍｍ^２の検出領域、および１０〜６０ｋｅＶの範囲において１００％に近い効率性を有するソリッドステートＸ線検出器（Ａｍｐｔｅｋ ＸＲ−１００Ｔ−ＣｄＴｅ）を用いてＸ線を検出した。ソリッドステートＸ線検出器はチャンバーの外部で、６ｍｍのポリカーボネートの窓（補正せず）の後ろに設置した。関連付けられた増幅器（Ａｍｐｔｅｋ ＰＸ２Ｔ−ＣｄＴｅ）の出力信号は、収集ボード（ＮＩ ＰＸＩ−１０３３）により１Ｍサンプルｓ^−１で記録され、分析を行う前にディスク内に格納した。データ収集ボードは、ソレノイドＴＴＬトリガを用いて起動させた。他の説明がない限り、本実験に関して提示される全てのデータの収集時間は６０秒であり、Ｘ線源の中心から７ｃｍだけ離れた位置に検出器が配置された。このＸ線源を用いて、１０^−３〜１０^−２トルの間の真空圧力、２．５ｍｍおよび５ｍｍの離間距離、並びに１〜２０Ｈｚの繰り返し数という条件でのＸ線の生成およびスペクトルを分析した。

図２は、モリブデンの特徴的なＫ線（Ｋ_α１ １７．４８ｋｅＶ、Κ_β１ １９．６１ｋｅＶ）、および銀の特徴的なＫ線（Ｋ_α１ ２２．１６ｋｅＶ、Κ_β１ ２４．９４ｋｅＶ）をはっきりと示す、銀およびモリブデンをエポキシ樹脂に添加することによって得られるＸ線スペクトルを示す。これらの線の分解は機器の制限（〜４００ｅＶ）があるので、Ｋ_α２，３ Ｋ_β２，３の成分を分解することは出来ない。示される銀のスペクトルに関し、２．４３ｘ１０^５Ｘ線光子ｓ^−１のフラックスが２πへ放射された。これらのうち、９％が２０．５〜２３ｋｅＶの範囲のエネルギーを有する。

制動放射によりＫ線が表れたということは、金属が添加されたエポキシ樹脂は標的電子またはアノードとしての働きをするはずなので、シリコーンがエポキシ樹脂に対し負の電位を有するという明らかな証拠である。接触面間のずれは直接的に計測されていないが、データの検証により、用いられた最大サイクル周波数（２０Ｈｚ）で、放射の期間がほぼ正確に、シリコーンとエポキシ樹脂とが分離させられていた期間と対応していることが示された。このことが示唆するのは、２５ミリ秒よりはるかに短い時間で最大離間距離に達したということである。またエポキシ樹脂にＺが大きな材料を添加することにより、放射の可能性および効率が高められるはずである。実験上の変動によりこの予測を完全に検証することは出来なかったが、記録した最大Ｘ線フラックス（〜８ｘ１０^５Ｘ線ｓ^−１）は、タングステン充填剤を用いて行った実験におけるものであるということは言及するに値するであろう。用いた最低気体真空圧力（１ミリトル）において、数秒にわたってＸ線放射が減衰し（図３）、強度が１桁だけ弱まった以外にはスペクトル上の大きな差はなかった（図３の差し込み図）。サイクルのうち分離に対応する部分全体において銀のΚα１，β１線が見られたということは、プロセスに関わるエネルギー論の際立った証拠であり、４０ｋＶの電位が１秒間の放電後にも依然として存在することを示す。シリコーンおよびエポキシ樹脂により形成される電界における電子の最大運動エネルギーが各開放サイクルの終わりの時点で４０ｋＶであると想定し、さらに、接触部が平行な帯電した６４ｍｍ^２の板であるものとして想定すると、５ｍｍの離間距離の場合の最終的な電荷密度σ_ｆは４．４ｘ１０１０ｅ ｃｍ^−２である。図３に示す実験において、１．２６ｘ１０^５Ｘ線光子ｓ^−１のフラックスを記録した（２．５２ｘ１０^５／開放サイクルに対応する）。金属を添加されたエポキシ樹脂の制動放射効率が〜１０^−４であると、最初の電荷密度σ_ｉは、４．６ｘ１０１０ｅ ｃｍ^−２であり、サイクルの終わりの時点における表面上の電荷密度よりもわずかに高いだけである。

真空圧力を高めると、スペクトルのエンベロプ（図４）、およびＸ線バーストのタイミング（図４／差し込み図）の両方を変化させられることが分かった。１ミリトルでのシステムを特徴付ける長いＸ線放射の時間（図３）は短く出来、パルスの時間的長さは１０ミリ秒より短く縮小出来る。これらのバーストは、エポキシ樹脂とシリコーンとが最初に分離される際に起こった。この縮小を引き起こす最適な圧力は実験ごとに異なるが、通常は２０〜３０ミリトルの間であることが分かった。２９６Ｋの温度、および３０ミリトルの圧力（４Ｎｍ^−２）において、電子の平均自由工程は計算により〜８ｍｍであるとされ、板の離間距離（２．５ｍｍ）と同じ桁である。このことは気体分子との相互作用が同メカニズムにおいてより大きな役割を果たしていることを示す。

圧力および接触サイクルの数の両方に応じているようにみられるＸ線源の特徴的な減衰が見られた。これにも関わらず、連続するサンプリング間隔の時間尺度が短い場合にサイクル周波数を増やして２０Ｈｚまでのほぼ線的な増加が可能であることが分かった。図５は、システムを１Ｈｚ、１０Ｈｚ、および２０Ｈｚで動作させた場合の１秒あたりに記録されたＸ線光子の数を示す。図５の差し込み図は、示される１０Ｈｚ、１Ｈｚ、および２０Ｈｚのシーケンスの１つの接触サイクル当たりのＸ線光子の平均数をプロットしたものである。

本願発明の実施形態よる、高電圧電源の代わりに摩擦電気効果を用いた単純なＸ線源が本例において示された。金属が添加されたエポキシ樹脂とシリコーンゴムとの間の反復される接触の間、電荷が移動させられ、エポキシ樹脂よりもシリコーンに負の電位を与える。結果として生じる電荷の不均衡により、金属が添加されたエポキシ樹脂に向かう過剰な電子の移動を促す電界を生成し、強い特徴的なＸ線のラインおよび制動放射を生成する。電界が比較的長い時間尺度において維持されたことが驚くべき発見である。高い圧力において、Ｘ線強度は２０Ｈｚまでのサイクル周波数に合わせて線的に高められる。このことは、実用的な１０８光子ｓ^−１を有するデバイスの実現に関する限られた制限は、少なくとも５００Ｈｚの周波数で動作出来るミリ単位のずれに対応可能なアクチュエータを見つけられるかどうかということであることを示している。圧電バイモルフアクチュエータはそのような動作において適切であり得る。

図６は、本願発明の他の実施形態に係るＸ線源２００を示す。ここでも内部構造を明確に示すべく封入器は示されていない。動作においてＸ線源２００は真空状態を提供すべく封入器に封入されている。封入器は、生成されるＸ線に対して他の部分と比べてより透明な窓部分を有してよい。Ｘ線源２００は圧電変換器により駆動されるカンチレバー２０２を有する。第１接触部を設けるべく、カンチレバー２０２には薄いシリコーン膜２０４が配される。第２接触部を設けるべく、エポキシ樹脂接触部２０６には金属粒子が混ぜ合わせられている。図７は、ネオン放電による特徴的な赤−橙色の輝きを放つ、封入器内の低圧力のネオン気体雰囲気において動作中のＸ線源２００を示す写真である。

図８は、本願発明の一実施形態に係る、少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線のアレイを生成するＸ線源アレイ３００の概略図である。Ｘ線源アレイ３００は、アレイ状に配置された摩擦Ｘ線源３０２および摩擦Ｘ線源３０４など複数の摩擦Ｘ線源を含む。説明を明確にすべく２つの摩擦Ｘ線源のみに参照番号が付されている。アレイ３００は、合計で１６の摩擦Ｘ線源を有する。本実施形態において、Ｘ線源アレイ３００に含まれる１６の摩擦Ｘ線源はそれぞれ別個の封入器に封入され、それら封入器は互いに接続されている。複数の摩擦Ｘ線源のそれぞれは、封入器内で第１接触面を有して配置される第１接触部３０６と、封入器内で第２接触面を有して配置される第２接触部３０８と、第１接触部３０６および第２接触部３０８のうち少なくとも一方と動作可能に接続されたアクチュエータアセンブリ３１０とを含む（図９および１０を参照）。アレイに含まれる別個の摩擦Ｘ線源のそれぞれは上述した実施形態のように構成され動作してもよい。図９は、図８に示すアレイ３００の４分の１を示す分解図である。図１０は、封入機内の構造を示す２つの摩擦Ｘ線源の断面図である。

Ｘ線源アレイ３００に含まれる摩擦Ｘ線源のそれぞれはカラー動画ディスプレイに類似するものとして考えることも出来る。各摩擦Ｘ線源は、選択されたエネルギー（または周波数）の１以上の狭エネルギー帯のＸ線を提供でき、よって或る意味においては、Ｘ線の「カラー」の放射パターンを提供できる。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、本願発明の他の実施形態に係る、少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線のアレイを生成するＸ線源アレイ４００の概略図である。Ｘ線源アレイ４００は、アレイ状に配置された摩擦Ｘ線源４０２および摩擦Ｘ線源４０４などの複数の摩擦Ｘ線源を含む。本実施形態は図８〜１０に示した実施形態と同様であるが、複数の摩擦Ｘ線源の全てが共通の封入機内に封入される点が異なる。

本明細書において図示し説明した実施形態は、当業者に本願発明を実施し利用する方法を提示することのみを目的としている。本願発明に係る実施形態の説明を明確にすべく、特定の用語が用いられている。しかし本願発明は、その選択された特定の用語によって限定されない。本願発明に係る上述した実施形態は、上述した提示の内容から当業者には理解いただけるように、本願発明から逸脱することなく修正および変更を加えることが可能である。特許請求項およびそれらの同等物の範囲において、特定して説明されるものは異なる実施が可能であることが理解されよう。

Claims (27)

1. 少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源であり、
   封入器と、
   前記封入器内で第１接触面を有して配置される第１接触部と、
   前記封入器内で第２接触面を有して配置される第２接触部と、
   前記第１接触部および前記第２接触部のうち少なくとも一方と動作可能に接続されたアクチュエータアセンブリと
   を備え、
   前記アクチュエータアセンブリは、動作中、前記第１接触面と前記第２接触面とを反復して接触および分離させ、
   前記第１接触面は第１摩擦材料からなる表面であり、
   前記第２接触面は第２摩擦材料からなる表面であり、
   前記第１摩擦材料からなる前記表面は、前記第２摩擦材料からなる前記表面に対して負の摩擦電位を有し、
   前記第２接触部は、前記第１接触面から前記第２接触面に移動する電子により励起され得る量子エネルギー励起状態を有する原子を組成中に含む材料を有し、
   前記原子は、前記量子エネルギー励起状態から低エネルギー状態へ遷移すると前記少なくとも１つの狭エネルギー帯に含まれるエネルギーを有するＸ線を放射し、
   前記封入器は、前記第１接触面および前記第２接触面が曝される大気環境の制御を行う、少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源。
2. 前記原子は、前記第１接触面から前記第２接触面に移動する電子により励起され得る複数の量子エネルギー励起状態を有し、
   前記原子は、前記複数の量子エネルギー励起状態から複数の低エネルギー状態へ遷移すると複数の狭エネルギー帯に含まれるエネルギーを有するＸ線を放射する、請求項１に記載の少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源。
3. 前記第２接触部は、前記第１接触面から前記第２接触面に移動する電子により励起され得る量子エネルギー励起状態をそれぞれが有する複数の原子を含む材料を有し、
   前記複数の原子は、複数の量子エネルギー励起状態のそれぞれから対応する低エネルギー状態へ遷移すると対応する狭エネルギー帯に含まれるエネルギーを有するＸ線を放射する、請求項１に記載の少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源。
4. 前記原子は、少なくとも１３の原子番号を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源。
5. 前記原子を含む前記材料は前記第２摩擦材料である、請求項１から４のいずれか１項に記載の少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源。
6. 前記第２摩擦材料と前記原子を含む前記材料とは、混合物、組成物、および層状構造のうち少なくとも１つを形成する互いに異なる材料である、請求項１から４のいずれか１項に記載の少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源。
7. 前記第２摩擦材料はエポキシ樹脂であり、
   前記原子を含む前記材料は金属である、請求項６に記載の少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源。
8. 前記第１摩擦材料はポリマーである、請求項７に記載の少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源。
9. 前記第１摩擦材料および前記第２摩擦材料は、前記第１接触面において電荷密度が少なくとも１０^１０ 電子／ｃｍ ^２ となるよう選択される、請求項６から８のいずれか１項に記載の少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源。
10. 前記アクチュエータアセンブリは、前記第１接触面と前記第２接触面とを反復して接触および分離させる電気システム、水圧システム、および空気圧システムのうち少なくとも１つを有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源。
11. 前記アクチュエータアセンブリは、前記第１接触面と前記第２接触面とを反復して接触および分離させるソレノイドを有する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源。
12. 前記アクチュエータアセンブリは、前記第１摩擦材料または前記第２摩擦材料を表面上に含むカンチレバーに結合された圧電アクチュエータを有する、請求項１から１１のいずれか１項に記載の少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線を生成するＸ線源。
13. アレイ状に配置された複数の摩擦Ｘ線源を備え、少なくとも１つの狭エネルギー帯のＸ線アレイを生成するＸ線源アレイであり、
    前記複数の摩擦Ｘ線源のそれぞれは、
    封入器内で第１接触面を有して配置される第１接触部と、
    前記封入器内で第２接触面を有して配置される第２接触部と、
    前記第１接触部および前記第２接触部のうち少なくとも一方と動作可能に接続されたアクチュエータアセンブリと
    を有し、
    前記アクチュエータアセンブリは、動作中、前記第１接触面と前記第２接触面とを反復して接触および分離させ、
    前記第１接触面は第１摩擦材料からなる表面であり、
    前記第２接触面は第２摩擦材料からなる表面であり、
    前記第１摩擦材料からなる前記表面は、前記第２摩擦材料からなる前記表面に対して負の摩擦電位を有し、
    前記第２接触部は、前記第１接触面から前記第２接触面に移動する電子により励起され得る量子エネルギー励起状態を有する原子を組成中に含む材料を含み、
    前記原子は、前記量子エネルギー励起状態から低エネルギー状態へ遷移すると前記少なくとも１つの狭エネルギー帯に含まれるエネルギーを有するＸ線を放射し、
    前記封入器は、前記第１接触面および前記第２接触面が曝される大気環境の制御を行う、Ｘ線源アレイ。
14. 前記複数の摩擦Ｘ線源のうち少なくとも２つは、互いに異なる狭エネルギー帯のＸ線を生成する、請求項１３に記載のＸ線源アレイ。
15. 前記複数の摩擦Ｘ線源の全てを収容する封入器をさらに備える請求項１３または１４に記載のＸ線源アレイ。
16. 前記複数の摩擦Ｘ線源のうち対応する１つをそれぞれが収容する複数の封入器をさらに備える請求項１３または１４に記載のＸ線源アレイ。
17. 前記原子は、前記第１接触面から前記第２接触面に移動する電子により励起され得る複数の量子エネルギー励起状態を有し、
    前記原子は、前記複数の量子エネルギー励起状態から複数の低エネルギー状態へ遷移すると複数の狭エネルギー帯に含まれるエネルギーを有するＸ線を放射する、請求項１３から１６のいずれか１項に記載のＸ線源アレイ。
18. 前記第２接触部は、前記第１接触面から前記第２接触面に移動する電子により励起され得る量子エネルギー励起状態をそれぞれが有する複数の原子を含む材料を含み、
    前記複数の原子は、複数の量子エネルギー励起状態のそれぞれから対応する低エネルギー状態へ遷移すると対応する狭エネルギー帯に含まれるエネルギーを有するＸ線を放射する、請求項１３に記載のＸ線源アレイ。
19. 前記原子は、少なくとも１３の原子番号を有する、請求項１３から１８のいずれか１項に記載のＸ線源アレイ。
20. 前記原子を含む前記材料は前記第２摩擦材料である、請求項１３から１９のいずれか１項に記載のＸ線源アレイ。
21. 前記第２摩擦材料と前記原子を含む前記材料とは、混合物、組成物、および層状構造のうち少なくとも１つを形成する互いに異なる材料である、請求項１３から１９のいずれか１項に記載のＸ線源アレイ。
22. 前記第２摩擦材料はエポキシ樹脂であり、
    前記原子を含む前記材料は金属である、請求項２１に記載のＸ線源アレイ。
23. 前記第１摩擦材料はポリマーである、請求項２２に記載のＸ線源アレイ。
24. 前記第１摩擦材料および前記第２摩擦材料は、前記第１接触面において電荷密度が少なくとも１０^１０ 電子／ｃｍ ^２ となるよう選択される、請求項２１から２３のいずれか１項に記載のＸ線源アレイ。
25. 前記アクチュエータアセンブリは、前記第１接触面と前記第２接触面とを反復して接触および分離させる電気システム、水圧システム、および空気圧システムのうち少なくとも１つを含む、請求項１３から２４のいずれか１項に記載のＸ線源アレイ。
26. 前記アクチュエータアセンブリは、前記第１接触面と前記第２接触面とを反復して接触および分離させるソレノイドを含む、請求項１３から２５のいずれか１項に記載のＸ線源アレイ。
27. 前記アクチュエータアセンブリは、前記第１摩擦材料または前記第２摩擦材料を表面上に含むカンチレバーに結合された圧電アクチュエータを含む、請求項１３から２６のいずれか１項に記載のＸ線源アレイ。

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