Источник радиоактивных ионов

 

ИСТОЧНИК РАДИОАКТИВНЫХ ИОHOBj содержащий радиоактивное вещество , фланец, тепловой экран, ионизатор из пористого вольфрама с нагревателем , истЪчник питания нагревателя, ускоряющий электрод и источник высокого напряжения, подключенный к ускоряющему электроду, причем в тепловом экране и ускоряющем электроде выполнены отверстия для выхода пучка ионов, а ускоряющий электрод расположен снаружи теплового экрана, отличающийся тем, что, с целью обеспечения плавной регулировки .интенсивности пучка радиоактивных ионов , источник снабжен трубкой, на торце которой герметично расположен ионизатор с нагревателем, капсулой с радиоактивным веществом, открытый в i сторону ионизатора, устройством пере (Л мещения капсулы, смонтированным на фланце и герметично соединенным с трубкой, причем капсула находится в тепловом контакте с внутренней поверхностью трубки.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТБУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3506622/18-25 (22) 01.11.82 (46) 07.11.88. Бюл. 11- 41 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском поли техническом институте (72) Б.И.Кузнецов, А.Г.Пузыревич, Ю.А.Панов, А.Г,Рыбасов, А.Л.Шипилов, 3.П.Белых и Ю.В.Булгаков (53) 21.039(088.8) (56) Daley H.L. and Реге1 I. "Lithium

and Sodium. Surface Ionisation Ion .Source Operation and Efficiency" The

Review of Scientific instruments, 1971, v.42, В 9, р.1324-1328.

Булгаков Ю.А. и др. Имплантация ионов радиоактивного цезия в твердые материалы, "Атомная энергия", т.53, вып.1, с.)0-5), 1982. (54)(57) ИСТОЧНИК РАПИОАКТИВНЫХ ИОНОВ, содержащий радиоактивное вещество, фланец, тепловой экран, ионизатор

„„SU„„1091748 А (5р 4 С 21 Н 5/00, Н 01 J 27/02 из пористого вольфрама с нагревате.— лем, источник питания нагревателя, ускоряющий электрод и источник высо кого напряжения, подключенный к ускоряющему электроду, причем в тепловом экране и ускоряющем электроде выполнены отверстия для выхода пучка ионов, а,ускоряющий электрод расположен снаружи теплового экрана, о т— л и ч а ю шийся тем, что,,с целью обеспечения плавной регулировки ,интенсивности пучка радиоактивных ионов, источник снабжен трубкой, на торце которой герметично расположен ионизатор с нагревателем, капсулой с радиоактивным веществом, открытый в сторону ионизатора, устройством перемещения капсулы, смонтированным на фланце и герметично соединенным с трубкой, причем капсула находится в тепловом контакте с внутренней поверхностью трубки.

1091748

Изобретение относится к ядерной технике, к разделу использования излучений для решения прикладных задач, и может быть использовано в установ5 ках для нанесения радиоактивных меток

/ на образцы и изделия для контроля технологических процессов методом радиоактивных индикаторов, а также для изучения процессов износа поверхнос- 10 ти изделий.

Способ внедрения ускоренньи радиоактивных ионов в поверхность образцов и изделий применяют для изготовления радиоактивных индикаторов, а также ис-15 пользуют при изучении скорости износа узлов и деталей машин и механизмов в процессе эксплуатации. Доступность способа, его технологичность в большой степени зависит от типа устройст- 20 ва, в котором получают радиоактивные ионы, его простоты, надежности и радиационной безопасности. Одним из наиболее важньи элементов таких устройств является источник радиоактивных ионов - элемент устройства, в котором различными способами из жидких, газообразных и твердых веществ получают ионы радиоактивных элементов.

Известен, например ионный источник 30 в котором для получения ионов используется явление ионизация атомов щелочных металлов на поверхности вольфрама. Он содержит резервуар со щелочным металлом, нагреватель ионизатора, З5 тепловой экран, трубку для подачи кислорода на ионизатор (что повышает степень ионизации атомов), вытягивающий электрод, замедляющий электрод, пористый вольфрамовый ионизатор, питаю- 40 щую трубку для подачи паров металла из испарителя на ионизатор, пучок проволок для подачи расплавленного металла из. резервуара в испаритель. Одним из главных недостатков этого уст-45 ройства является его инерционность, так как времена включения пучка радиоактивных ионов и прерывания пучка опре"

-деляются временем нагревания и остывания испарителя и ионизатора.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее радиоактивное вещество, фланец, тепловой экран, ионизатор из пористого вольфрама с нагревателем, источник питания нагревателя, ускоряющий электрод и источник высокого напряжения, подключенный к ускоряющему электроду.

В прототипе перед облучением образца радиоактивное вещество (например раствор соли CsCl, содержащий радиоактивные атомы цезия) наносится на пористый вольфрам (вольфрамовую губку), который методом спекания нанесен на вольфрамовую ленту, концы которой подключены к источнику питания..При пропускании тока через вольфрамовую ленту последняя нагревается, что в свою очередь приводит к нагреву пористого вольфрама-ионизатора. При нагреве вольфрамовой губки радиоактивное вещество испаряется, при этом щелочной металл (в прототипе цезий) за счет разности работы выхода электронов из его атомов и атомов вольфрама испаряется в виде положительных ионов, которые затем ускоряются в электрическом поле и внедряются в поверхность облучаемого образца.

Недостатком известного технического решения является то, что в нем температура ионизатора и температура радиоактивного вещества одинаковы.

Поэтому в случае необходимости умень-. шения интенсивности пучка радиоактивных ионов за счет снижения скорости испарения рабочего вещества уменьшают температуру ионизатора, что в свою очередь приводит к уменьшению степени ионизации. Так, например, в случае получения ионов цезия при низких температурах цезий накапливается на поверхности вольфрама, уменьшает его работу выхода и понижает вероятность ионизации атомов цезия и выхода их в виде ионов. При высоких температурах происходит слишком быстрое испарение рабочего вещества, поэтому для ионов цезия оптимальной температурой нагрева вольфрамового ионизатора является температура порядка 900-1000 С. Однако даже при этих температурах скорость испарения некоторьи веществ, включающих радиоактивный цезиЦ, является довольно высокой. Например соединение CsCl, имеющее температуру плавления около 645оС, при температуре порядка 900 С имеет величину давления насыщенных паров около 23 мм рт.ст., что приводит к его интенсивному испарению в этом диапазоне температур, при этом скорость испарения, 1 / а значит, и интенсивность пучка радиоактивных ионов Йвляются практически нерегулируемыми величинами. Поэтому количество радиоактивных атомов, внед1091748 ренных в поверхность облучаемого образца, определяется лишь количеством радиоактивного вещества, нанесенного на ионизатор из пористого вольфрама.

Как указано в описании прототипа, вы5 сокая скорость испарения определяет продолжительность имплантации, равной

5-10 с — при дозе внедренных ионов около 1Ом ионов/см, однако такая высокая скорость процесса имплантации (высокая интенсивность пучка радиоактивных ионов) делает невозможной проведение имплантации нескольких образцов MBJIbIMH дозами ионов,.HPHBQPHT K 15 увеличению длительности процесса облучения- серии образцов, увеличению трудоемкости работ и ухудшению условий радиационной безопасности.

Цель изобретения — обеспечение 20 плавной регулировки интенсивности пучка радиоактивных ионов °

Поставленная цель достигается тем,, что источник радиоактивных ионов содержит радиоактивное вещество, фла- 25 нец, тепловой экран, ионизатор из пористого вольфрама с нагревателем, источник питания нагревателя, ускоряющий . электрод и источник высокого напряжения, подключенный к ускоряюще- 30 му электроду, причем в тепловом экране и ускоряющем электроде выполнены отверстия для выхода пучка ионов, а ускоряющий электрод расположен снаружи теплового экрана, трубку, на торце которой герметично расположен иониза. тор с-нагревателем, капсулу с радиоактивным веществом, открытую в .сторону ионизатора, устройство перемещения капсулы, смонтированное на фланце и 40 герметично соединенное с трубкой, причем капсула находится в тепловом контакте с внутренней поверхностью трубки.

На фиг.1 представлена схема устро- 4 .ройства; на фиг.2 показан разрез А-А на фиг.l.

Устройство содержит тепловой экран 1, дополнительный тепловой экран

2, пластины 3 из тугоплавкого материала, ионизатор 4, кольцо 5 из изолятора, электроды 6, трубку .7 из нержа-. веющей стали, радиоактивное вещество

8, капсулу 9, шток !0, фланец 11 для крепления источника, устройство перемещения 12 капсулы — вакуумноплотные изоляторы 13, источник питания 14, ускоряющий электрод 15, источник высокого напряжения 16.

В тепловом экране 1 на конце трубки 7, изготэвленной из нержавеющей стали, внутри трубки 7 герметично размещен ионизатор 4 — таблетка, выполненная из пористого вольфрама. С внешней стороны на конце трубки 7 расположено кольцо 5, выполненное из изолятора — керамики с хорошей теплопроводностью, которое окружено двумяллвстинами 3, изготовленными из тугоплавкого материала (например тантала, вольфрама), соединенными параллельно, которые подключены к источнику питания 14 через электроды 6. С конца трубки 7, противоположного нонйэатору

4, в полость трубки 7 через устройство перемещения 12 на штоке 10, изго-. товленном из .нержавеющей стали, герметично введена капсула 9, выполнен" ная в виде цилиндра с одним дном и расположенная открытым концом к ионизатору

4, с радиоактнвныи рабочим веществом

8. Устройство смонтировано на фланце

11, в котором через вакууиоплотные изоляторы 13 выведены электроды 6.

Пластины 3 нагревателя окружены до-: полнительным тепловым экраном 2, а перед тепловым экраном I размещен уско" ряющий электрод 15.

Устройство работает следующим образом.

В капсулу 9 вводится радиоактивное вещество, из которого получают радио- . активные ионы, и она посредством што"„ ка 10 вводится внутрь трубки 7, при этом шток 10 укрепляют в устройстве перемещения 12 капсулы, которое позволяет также герметизировать объем ионного источника. В начальный момент времени капсула 9 устанавливается на конце трубки 7, противоположном иониэатору 4. При подаче напряжения нв электроды 6 от источника питания 14 элек" трический ток нагревает пластины 3, которые в свою очередь через изолятор и стенку трубки 7 нагревают . вольфрамовый ионизатор 4. Увеличением напряжения на электродах 6 повышают температуру ионизатора до требуемой величины (обычно 900-1000 С). При этом вдоль трубки 7 устанавливается градиент температур от величины температуры ионизатора до температуры фланца 11 который соединен с корпусои установки для имплантации и поэтому его теипература остается достаточно низкой.

Для обеспечения тепловой развязки. между концом трубки 7, где укреплен

1091748

427 474 527 577 627 645 67? 727 827 927

9,3 8,1 5,4 2,7 1,5 1,8 . 3,7

1,01 5 7

10-4 10 10 10 - 10 10 10

23,07 рт.ст ионизатор, и корпусом установки для имплантации, к которому крепится фла.-. нец ll элементы устройства — тепловой экран 1, трубки 7, шток 10, электроды 6 выполнены из нержавеющей ста-. ли, обладающей низкой теплопроводно-. стью (например стали типа Х18Н9Т .или стали Х18Н1.0Ò), Для увеличения коэффициента полезного действия нагрева- lp теля и устранения излишнего перегрева теплового экрана 1 пластины 3 нагревателя окружены дополнительным экраном 2.

Количество испаренного радиоактив 15 ного вещества в капсуле 9 зависит от температуры, при которой она находися. Для обеспечения хорошего теплово го контакта между капсулой 9 и трубкой

7, капсулу изготавливают так, чтобы 20 ее стенки плотно примыкали к внутренней стенке трубки 7, поэтому температура, при которой находится капсула, равна температуре, соответствующей точке трубки 7, и при разных положе ниях капсулы скорость испарения радиоактивного вещества различна — она минимальна при максимальном удалении капсулы от ионизатора и возрастает прй движении капсулы к ионизатору.

В таблице приведены значения давления насыщенных паров для соединения

CsCl при различных температурах.

Из таблицы видно, что, измерив температурный градиент вдоль трубки 7 и помещая капсулу 9 с осажденным из радиоактивного раствора соединением

CsC1 на различных расстояниях от ио-. низатора, можно плавно изменять количество испаренных атомов, что в свою 40 очередь приводит к плавному изменению интенсивности пучка радиоактивных ионов, так как за счет разности парциальных давлений в трубке 7 и вакуумной камере установки пары, образовавшиеся после испарения соединения

CsC1, диффундируют через поры ионизатора, при этом атомы Cs иониэируются и на выходе из.ионизатора попадают в ускоряющий промежуток, образованный между .ионизатором 4 и электродом 15, на котором подано ускоряющее напряжение. Герметичное крепление ионизатора

4 на конце трубки 7 необходимо для того, чтобы s максимальной степени снизить выход нейтральных радиоактивных атомов, которые могут попасть в вакуумный объем установки между ионизатором 4 и стенками трубки 7.

Таким образом предлагаемое устройство позволяет осуществлять плавную регулцровку интенсивности пучка радиоактивных ионов, что дает вочможность при одной загрузке радиоактивного .вещества в капсулу осуществлять имплантацию радиоактивных ионов в серию образцов, наносить радиоактивные метки малой активности, а в случае применения данного источника для изучения процессов износа наносить радиоактивные метки в различные точки исследуемой поверхности. без разгерметизации источника.

Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является то, что радиоактивное вещество, его пары локализованы только в объеме трубки, вдоль которой передвигается капсула и на конце которой помещен иониэатор, что уменьшает радиационное загрязнение установки и позволяет улучшить условия работы и источником с точки зрения радиационной безопасности. !

109!748

Редактор Н.Сильнягина Техред М.Моргентал Корректор 3.Лончакова

Тираж 395 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 5572

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4