การผลิตรังสีเอกซ์จากวัสดุไพโรอิเล็กทริค

วัสดุไพโรอิเล็กทริค (pyroelectric materials) อยู่ในกลุ่มของวัสดุเพียโซอิเล็กทริค (piezoelectric materials) ซึ่ง เป็นผลึกของสารประกอบที่มีคุณสมบัติทางไดโพลหรือทิศทางของขั้วไฟฟ้าบวก-ลบของผลึกเปลี่ยนไปเมื่อได้รับการ กระทำภายนอกมีผลให้มีการปลดปล่อยอิเล็กตรอนหรือเกิดกระแสไฟฟ้า  

วัสดุเพียโซอิเล็กทริคเมื่อได้รับแรงกดหรือแรงกระแทกจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า ในทางกลับกันเมื่อได้รับ กระแสไฟฟ้าก็จะเกิดการสั่น ตัวอย่างผลึกของสารประกอบที่มีสมบัติ
เพียโซอิเล็กทริค ได้แก่Barium Titanate,  Lead Titanate, Lead Zirconate Titanate, Sodium/Potassium Niobate ตัวอย่างการนำมาใช้งานได้แก่  เครื่องจุดเตาแก๊ส ลำโพง ไมโครโฟน 

ผลึกของวัสดุเพียโซอิเล็กทริคให้กระแสไฟฟ้าเมื่อได้รับแรงกดหรือแรงดึง (a) และการใช้ผลึกเพียโซอิเล็กทริค ในการจุดไฟ (b) [1] วัสดุไพโรอิเล็กทริคจะให้กระแสไฟฟ้าเมื่อทำให้ร้อนขึ้นหรือเย็นลง ผลึกของสารประกอบที่มีสมบัติไพโรอิเล็กทริค ได้แก่Tourmaline, gallium nitride, cesium nitrate (CsNO3), polyvinyl fluorides (PVDF), phenyl  pyridine, cobalt phthalocyanine, lithium tantalate (LiTaO3), lithium niobate (LiNbO3) การที่ อุณหภูมิเปลี่ยนไปทำให้ผลึกปล่อยกระแสฟ้าออกมาจึงนำไปใช้ในเครื่องวัดอุณหภูมิ เครื่องตรวจจับการเคลื่อนไหว เครื่องเตือนไฟไหม้ 

การใช้ผลึกวัสดุไพโรอิเล็กทริคในเทอร์โมมิเตอร์ (a) และใช้ในเซนเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหว (b) [2] หลอดรังสีเอกซ์เป็นหลอดสุญญากาศมีแหล่งจ่ายไฟศักย์สูงด้านขั้วลบให้กับขดลวดทังสเตนและขั้วบวกให้กับเป้า โลหะ เมื่อจ่ายไฟให้กับหลอด ขดลวดที่ร้อนจะให้อิเล็กตรอนออกมาและถูกแรงดึงดูดทางไฟฟ้าดึงให้เคลื่อนที่เข้า กระทบขั้วบวก ซึ่งจะถูกหน่วงด้วยสนามไฟฟ้าของเป้าโลหะทำให้ปลดปล่อยรังสีเอกซ์แบบต่อเนื่องหรือรังสีเอกซ์ เบรมสตราห์ลุงออกมาโดยพลังงานของรังสีเอกซ์แปรตามพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนซึ่งแปรตามความต่าง 

ศักย์ไฟฟ้าของหลอดเพลเทียร์ (peltier) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้หลักการเพลเทียร์ (peltier effect) เมื่อโลหะที่เป็นเทอร์โมคัปเปิลสองชนิดต่อ กันและได้รับกระแสไฟฟ้า ความร้อนจะถูกพาไปด้านหนึ่งทำให้อีกด้านเย็นลง วัสดุที่สามารถทำให้เกิด peltier  effect มีหลายชนิด ส่วนใหญ่ใช้บิสมัทเทลลูไรด์ (Bi2Te3) โดยนำมาใช้ในการลดอุณหภูมิ เช่น ตู้เย็นขนาดเล็ก ลด ความร้อนของ cpu ในคอมพิวเตอร์  

การทำงานของหลอดรังสีเอกซ์ (a) การทำงานของเพลเทียร์ (b) [3] เมื่อแทนที่ขดลวดทังสเตนในหลอดรังสีเอ๊กซ์ด้วยผลึกไพโรอิเล็กทริคที่ให้ความร้อนหรือความเย็นด้วยเพลเทียร์  (Peltier) จะทำให้มีความต่างศักย์สูงและเกิดอิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่เข้าตกกระทบเป้าโลหะที่เป็นขั้วบวกและ ปลดปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา  

การผลิตรังสีเอกซ์ด้วยไพโรอิเล็กตริค (LiTaO3) ตามรูปที่ 5 (a) ใช้เพลเทียร์ในการเพิ่ม-ลดอุณหภูมิของผลึกไพโรอิ เล็กทริคโดยวางอยู่ด้านตรงข้ามกับแผ่นทองแดง ทั้งหมดบรรจุอยู่ในตัวถังที่มีแก๊สความดันต่ำ มีช่องให้รังสีเอกซ์ออก ปิดด้วยเบริลเลียม ผลึกไพโรอิเล็กทริคจะเกิดโพลาไรเซชันหรือขั้วของผลึกหันไปทางเดียวกันเมื่อมีการเปลี่ยนแปลง อุณหภูมิ การทำงานจึงมีการเพิ่มและลดอุณหภูมิสลับกันเป็นรอบด้วยการสลับขั้วไฟฟ้าของเพลทียร์ 

เมื่อเพลเทียร์ให้ความเย็นกับผลึกไพโรอิเล็กทริค (Cooling phase) จะเกิดโพลาไรเซชั่นของผลึกโดยผิวหน้าผลึกเป็น ขั้วลบและปล่อยอิเล็กตรอนตกกระทบแผ่นทองแดง ทำให้เกิดรังสีเอกซ์ที่มีพีคของทองแดง ดังรูปที่ 5 (b) จากนั้น เพลเทียร์จะให้ความร้อน (Heating phase) ทำให้ผิวหน้าผลึกเป็นขั้วบวกซึ่งจะดึงอิเล็กตรอนจากแก๊สรอบๆ ให้ตก กระทบผลึกทำให้เกิดรังสีเอกซ์ที่มีแทนทาลัมของผลึกออกมา ดังรูปที่ 5 (c) เมื่อวัดรังสีเอกซ์ต่อเนื่องกันจะได้ สเปกตรัมรวมดังรูปที่ 5 (d) 

การผลิตรังสีเอกซ์ด้วยผลึกไพโรอิเล็กทริคไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้าความต่างศักย์สูง (High voltage power  supply) แต่ใช้ความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นเนื่องจากขั้วไฟฟ้าของผลึกเอง ทำให้เป็นอุปกรณ์ผลิตรังสีเอกซ์ที่ใช้พลังงาน ไฟฟ้าต่ำและมีอุปกรณ์ไม่ซับซ้อน

การผลิตรังสีเอกซ์จากวัสดุไพโรอิเล็กทริค (a) สเปกตรัมรังสีเอกซ์ของทองแดงที่เป็นเป้าโลหะ (b)[4] 

อ้างอิง

https://sites.google.com/site/smartmaterialswebsite/home/6-01-standard-one-foundations-for leadership/standard-2-contextual-understanding
https://www.avnet.com/wps/portal/abacus/resources/article/adapting-pir-sensor-technology to-new-applications/  https://www.researchgate.net/publication/334236635_A_Review_on_Energy_Harvesting_Supplying _Wireless_Sensor_Nodes_for_Machine_Condition_Monitoring
https://www.amptek.com/internal-products/obsolete-products/cool-x-pyroelectric-x-ray generator