С 1960-х годов физики, изучающие рентгеновское излучение сталкивались с любопытной аномалией: в ходе лабораторных экспериментов электроны, ускоряющиеся между двумя электродами, имели энергию, превышающую приложенное напряжение. Этот факт противоречит фундаментальному принципу физики, согласно которому энергия электронов должна соответствовать величине напряжения.
Несмотря на то, что это явление наблюдается уже десятилетиями, его природа оставалась загадкой. Однако недавно команда ученых из Университета штата Пенсильвания смогла найти причину этого процесса.
Как пояснил руководитель исследования Виктор Паско, в экспериментах с приложением напряжения между двумя электродами электроны ускоряются через промежуток, в котором вакуум или же присутствует определенный газ. Логично предположить, что максимальная энергия электронов определяется величиной приложенного напряжения. Однако при экспериментальной проверке этого принципа энергия электронов стабильно выше этой величины в 2-3 раза.
Команда Паско провела математическое моделирование и установила, что причиной явления является механизм обратной связи энергии. Электроны, взаимодействуя с материалом электрода, излучают рентгеновские лучи, состоящие из фотонов — световых частиц без массы и заряда. Часть этих фотонов движется обратно и вызывает эмиссию новых электронов с другого электрода.
Некоторые из этих электронов приобретают энергию, которая соответствует исходной, но затем проходят дополнительное ускорение, и процесс повторяется многократно. Паско и его коллеги провели моделирование этого процесса, объяснив, как возникает столь высокая энергия.
Исследователи также обнаружили, что форма и материал электродов существенно влияют на степень выраженности эффекта. Например, плоские электроды создают условия для максимального взаимодействия электронов и фотонов, тогда как электроды с уменьшенной поверхностью, например, иглообразные, минимизируют эффект.
Особое внимание команда уделила выбору материалов для электродов. Традиционно для получения рентгеновского излучения используется вольфрам, известный своей надежностью и эффективностью в подобных задачах. Ученые провели моделирование для множества других материалов и составили перечень свойств, которые способствуют максимизации эффекта.
Выводы этой работы могут открыть новые пути для разработки более эффективных методов производства рентгеновских лучей. Это особенно важно в контексте создания более компактных, легких и быстрых рентгеновских аппаратов. Исследование также стимулирует дальнейшую работу над производством высокоэнергетичных электронов из твердых материалов, что может существенно расширить возможности современной техники.
Таким образом, разгадка этого феномена не только углубляет понимание фундаментальных физических процессов, но и открывает перспективы для новых технологических решений.
Тем временем российские ученые придумали уникальный ИИ-томограф для поиска полезных ископаемых.