Способ получения пористых микрофильтров и устройство для его осуществления

Авторы патента:

B01D39/14 - прочие, не нуждающиеся в подложке, фильтрующие материалы

1. Способ получения пористых микрофильтров, включающий облучение плёнки из диэлектрического материала коллимированным пучком продуктов деления актиноидов с последующим ее химическим травлением, отличающийся тем, что, с целью упрощения и удешевления процесса, облучение пленки ведут коллимированным пучком продуктов деления, возникающим в результате воздействия на уран или торий природного изотопноi . го состава тормозным излучением электронов с энергией 15-50 мэВ. (Л 2 7 L J L. Рд IsD -S

COOS СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И1 (5114 В 01 Р 39/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАЕМ ИЗОБ ЕТЕНИй И ОТНРЫТИй

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3615026/23-26 (22) 20.05.83 (46) 30. 11.86. Бюл. N - 44 (71) Объединенный институт ядерных исследований (72) Во Данг, Банг (53) 661.183.12 (088.8) (56) Замятнин Ю.С. Труды III Всесоюзного совещания по использованию новых ядерно-физических методов для решения научно-технических и народно-хозяйственных задач. Дубна, 1979, PI8-12147, с.147.

Патент США 11 3529157, кл.161-109, 1966. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ МИКРОФИЛЪТРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 1. Способ получения пористых микрофильтров, включающий облучение пленки из диэлектрического материала коллимированным пучком продуктов деления актиноидов с последующим ее химическим травлением, о т л ивЂ” ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения и удешевления процесса, облучение пленки ведут коллимированным пучком продуктов деления, возникающим в результате воздействия на. уран или торий природного изотопного состава тормозным излучением электронов с энергией 15-50 мэВ.

1141629

2. Устройство для получения пористых микрофильтров включающее коллиматор, выполненный в виде тонких пластин из легких металлов с отверстиями и диэлектрическую пленку, помещенные в держателе перпендикулярно облучающему пучку, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью упрощения и удешевления процесса, оно содержит тормозную мишень электронного. ускорителя и металлическую подложку, выполненную в виде пластины, покрытой с обеих сторон слоем урана или тория природного изотопного состава, размещенные так, что составляют пакет с последовательно чередующимися слоями, каждый из которых. сос тоит из помещенной в центре подложки, вплотную примыкающими к ней с обеих сторон пластинами коллиматора и диэлектрической пленки, .размещенный за тормозной мишенью электронного ускорителя.

3. Устройство по п.2, о т л ивЂ” ч а ю щ е е с я тем, что плотность покрытия урана или тория природного изотопного состава на подложке составляет 0,8-2 мг/см .

4. Устройство по п.2, о т л ивЂ” ч а ю щ е е с я тем, что количество чередующихся слоев подложки, коллиматора и диэлектрической пленки .в устройстве составляет 500 вЂ” 600 штук.

Изобретение относится к атомной технике, конкретно к области производства ядерных микрофильтров, применяемых в процессах фильтрации, се- парации и концентрирования микрообъектов в газовой и жидкой средах.

Известен способ изготовления пористых микрофильтров, заключающийся в бомбардировке диэлектрической пленки высокоэнергетичными тяжелы+9 ми ионами, например Хе, с последую. щей ее физико-химической обработкой. . Данный способ высокопроизводителен, позволяет получать фильтры высокого качества, но обладает тем недостатком, что для получения высокоэнергетичных и интенсивных потоков тяжелых ионов в нем применяют дорогостоящие, уникальные ускорители вЂ” циклотроны, разработанные для фундаментальных научных исследований в области ядерной физики. Их использование для широкомасштабного производства ядерных фильтров в народном хозяйстве являет- 5 ся сложным и неэффективным.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому является способ получения пористых микрофильтров, включающий облучение пленки иэ диэлектрического материала коллимированным пучком продуктов деления актиноидов

2 с последующим ее химическим травлени.ем.

Наиболее близким к описываемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для изготовления пористых микрофильтров, включающее коллиматор, выполненный в виде тонких пластин из легких металлов с отверстиями, и ди- . электрическую пленку, помещенные в держателе перпендикулярно облучающему пучку.

По данному способу материал фильтра (пленки из полиэтилена, полипропилена и т.п.) облучают коллимированным пучком осколков деления изотопа урана вЂ” 235 или плутония - 239, вызываемых интенсивным потоком тепло- вых нейтронов ядерного реактора. Для его реализации требуется наличие ядерного реактора как облучательного лаз йэ9 устройства и U или Ри в качестве делящегося вещества

Недостатком данного способа является то, что вследствие ограниченности и дорогостоемости как самого ядерного реактора, так и делящихся веществ (обогащенного урана или плутония), он является достаточно слож ным, а микрофыльтры, полученные по нему, стоят 53 доллара эа сотню.

Кроме того ° данный способ ввиду специфических требований к эксплуатации з 11416 реакторов на тепловых нейтронах (являющихся основой для производства делящихся материалов в военных целях) имеет весьма ограниченное распространение и для многих стран, в частности развивающихся, малодоступен.

Недостатком данного устройства является то, что оно является сложным, дорогостоящим и на его использование накладываются жесткие ограничения в 1Î связи с воэможностью использования делящихся материалов в военных целях.

Кроме того, сама конструкция устройства не позволяет получать одновременно большое количество микрофильт- 15 ров с одинаковыми свойствами.

Цель изобретения вЂ” упрощение и удешевление процесса получения пористых микрофильтров, их получения и снижение стоимости. 2р

Поставленная цель достигается описываемым способом получения пористых микрофильтров, включающим облучение пленки из диэлектрического материала коллимированным пучком продуктов деления актиноидов, возникающим в результате воздействия на уран или торий природного изотопного состава тормозного излучения электронов с энергией 15 вЂ” 50 МэВ, и последующее 30 ее химическое травление.

Поставленная цель достигается также описываемым устройством для получения пористых микрофильтров, включающим коллиматор, выполненный в виде тонких пластин из легких металлов с отверстиями, диэлектрическую пленку, тормозную мишень элект. ронного ускорителя и метаплическую подложку, выполненную в виде пласти- 4р ны, покрытой с обеих сторон слоем урана или тория природного изотоп ного состава толщиной 0,8

2,0 мг/см, размещенные так, что составляют пакет с последовательно чере -1 дующимися слоями в количестве 500вЂ”

600 штук, каждый из которых состоит иэ помещенной в центре подложки, вплотную примыкающими к ней с обеих сторон пластинами коллнматора и диэлектрической пленки, помещенный в держатели перпендикулярно облучающему пучку и установленный за тормозной мишенью электронного ускорителя.

Отличительным признаком способа 55 является облучение пленки из диэлект-. рического материала коллимированным пучком продуктов деления актиноидов, 29 4 возникающим в результате Чоздействия на уран нли торий природного изотопного состава тормозного излучения электронов с энергией 15 вЂ” 50 ИэВ.

Отличительным признаком описываемого устройства является то, что оно дополнительно содержит тормозную мишень электронного ускорителя н металлическую подложку, выполненную в виде пластин с нанесенным на нее с обе- . их сторон слоем урана или тория природного изотопного состава, размещенные так, что составляют пакет с последовательно чередующимися слоями, каждый из которых состоит из помещенной в центре подложки, вплотную примыкающими к ней с обеих сторон пластинами коллиматора и диэлектрической пленки, установленной за тормозной мишенью электронного ускорителя.

Другие отличия устройства заключаются в том, что плотность покрытия урана или тория природного изотопного состава на подложке состав2 ляет 0,8-2 мг/см, а количество чередующихся слоев подложки, коллиматора и диэлектрической пленки в устройстве составляет 500-600 штук.

Предложенный способ реализуется с помощью устройства, принципиальная схема которого приведена на чертеже, где:

1 вЂ” мишень электронного ускорителя;

2 вЂ” держатель;

3 вЂ” коллиматор;

4 вЂ” подложка;

5 вЂ” уран или торий естественного изотопного состава;

6 вЂ” лавсановая пленка.

Устройство ставится за тормозной мишенью электронного ускорителя на расстоянии 30 вЂ” 40 мм от него в потоке тормозного излучения и представляет собой многослойную композицию,состоящую из нескольких сотен повторяющихся элементов. Каждый элемент состоит из пластинки вЂ” подложки с нанесенными по обе ее стороны тонкими (0,8 вЂ” 2 мг/см ) слоями урана (тория) естественного . изотопного состава, к которым вплотную примыкают маскивЂ” коллиматоры. Последние представляют собой пластинки с отверстиями, изготовленные из легких металлов (для уменьшения поглощения тормозного излучения в коллиматорах). Оптимальные диаметры отверстий коллиматоров,угол

41629

5 11 коллимации, а следовательно, и коэффициент коллимации, выбранные из условия полного прохождения осколков деления через пленку заданной толщины, приведены в таблице. Между пластинками коллиматора помещают пленку, служащую в качестве материала фильтра. Количество пластинок со слоями урана выбирают таким образом, чтобы общая толщина устройства не превышала 13-20 см, что практически составляет величину 500-600 штук.

При воздействии тормозного излучения электронов с энергией 15

50 МэВ в результате реакции фотоделения в уране (торин) возникают осколки деления, которые, пролетая через отверстия в коллиматорах, попадают на пленку и создают скрытые деструкции. Таким .образом в этой конструкции каждая пленка облучается осколками сразу с двух сторон. Перемещая устройство в перпендикулярном пучку направлении, сканируют всю желаемую площадь фильтра.

Вышеприведенные условия проведения способа и параметры устройства для его осуществления являются оптимальными. Энергия тормозного излучения электронов 15 вЂ” 50 Мэ В выбир ается, исходя из кривой зависимости числа делений в единицу времени,которая достигает насыщения при 15вЂ”

17 МэВ для актиноидов, а верхняя гра ница 50 ИэВ определяется верхней границей электронных ускорителей на низкие энергии. С повышением энергии выше этой границы растет стоимость ускорителя, в то время как скорость деления, обусловленная физической природой явления, не увеличивается.

Оптимальная плотность, толщина покрытия урана и тория на подложке, определяются, исходя из следующих факторов.

Пробеги осколков в уране и торин при фотоделении тормозным излучением с граничной энергией 15 вЂ” 17 МэВ равны в среднем 8 вЂ” 10 мг/см . Чтобы осколки не теряли свою энергию за счет самопоглощения (вследствие чего будут "застревать" в пленке фильтра, создавая таким образом вредную радиоактивность), нужно применять слои урана и тория, не превышающие но толщине пробег. Для полной гарантии отсутствия радиоактивности на пленке верхняя граница толщины составляет 2 мг/см (четырехкратный запас).

С другой .стороны, слишком тонкие слои содержат недостаточное число ядер, чтобы иметь скорость деления, обеспечивающую высокую производительность способа. Подсчет экономической эффективности показывает, что в случае использования ускорителя типа NT-22 при толщине урана или тория 0,2 мг/см стоимость фильтров, производимых по предлагаемому способу, сравнима с полученными по способу-прототипу, а при толщине 0,8 мг/см

15 в 4 раза ниже. Поскольку стоимость ускорителей на низкие энергии одного и того же порядка, то можно считать, что интервал 0,8 вЂ” 2 мг/см яв. 9. ляется оптимальным интервалом толщи20 ны слоя урана или тория природного изотопного состава.

Расстояние между тормозной мишенью и первым слоем диэлектрической пленки, равное. 30 вЂ” 40 мм, определяется конструкцией самого узла тормозной мишени электронных ускорителей типа NT, ЛУЭ, БС.

Количество слоев в фильтр-прессе, выбирают по возможности большое для

З0 повышения производительности установки. Ограничительными факторами являются ослабление излучения с расстоянием (расходимость пучка) и пробег вЂ” квантов в уране (тории).

35 Расчет показывает, что лри толщине

2 мг/см количество слоев может быть велико (10000) и при этом общая толщина урана все еще ниже пробега тормозного излучения с граничными энер40 гиями 15 и 50 МэВ. Однако расходимость пучка такова, что толщина фильтр-пресса не должна превышать

13 вЂ” 20 см, чтобы получить фильтры с достаточно большой плотностью пор

45 10 вЂ” 10 пор/см йю что соответству ет 50O вЂ” 600 слоям в фильтр-прессе.

Эта толщина фильтр-пресса определяется общей толщиной не урановых слоев, а главным образом коллиматоров.

Эффективность описываемого способа иллюстрируется следующими примерами, а параметры коллиматоровтаблицей.

П р и м е p l. Параметры устройства.

Мишень - уран естественного изотопного состава толщиной 0,8 мг/см

Я нанесенный на обе стороны подложки»! 14!629

Параметры коллиматоров

Толщи

Эффективность коллииаметр, мм, при толщине коллиматоров на пленки, мкм

0,05 мм

О,) мм!

0,2 мм 0,5 мм мации, Ж

4,97

1,99

0,50

0,99

2,44

0 49

0,98

0,25

0,63

0,32

1,59

0,16

0,46

1,15

0,23

0,12

0,34

0,87

0,09

0,17

0,67

0,26

0,07

0,13

7 представляющей собой алюминиевый диск ф56 х 0,05 мм. Количество мишеней 600 штук. Коллиматор вЂ” алюминиевый диск 4 60 х 0,1 мм, в котором сделаны отверстия диаметром 0 05 мм.

Прозрачность коллиматора 647. Количество коллиматоров 1200 штук. Материал фильтра вЂ” лавсановая пленка толщиной 0,01 мм в количестве

600 штук. Общая длина фильтр-пресса

19 см. Продолжительность облучения

30 мин. Облучатель - микротрон ИТ-22 с энергией 21 МэВ и током 12 мкА.

Облученные фильтры ставятся на облучение ультрафиолетовым светом на

1 ч, после чего травятся 20Х-ным водным раствором NaOH или КОН при температуре 70 С в течение 1 ч.После травления пленки промываются водой.

Производительность !200 пленок диа-метром !!!50 мм в ч. Плотность пор от 1 ° 10 до 3 !О пор/см .

Пример 2. Параметры устройства такие же, как в примере 1, за исключением толщины мишени с нанесенным на нее слоем тория природного изотопного состава 2 мг/см, количества мишеней 500 штук, коллиматоров 1000 штук, лавсановых пленок

500 штук. Общая длина фильтр-пресса

13 см. Облучательная установка

ЛУЭ-)5A время облучения 5 мин. Режимы травления те же, что и в примере 1. Производительность 7000 фильтров диаметром ф50 мм в час. Плотность пор от 3 10 до .3 . 10 -пор/см

Предлагаемый способ получения ядерных микрофильтров обеспечивает следующие преимущества по сравнению со способом вЂ” прототипом, одновременно являющимся и базовым объектом: возможность обходиться более дешевыми и доступными средствами для из-. готовления ядерных микрофильтров (ураном и торием естественного изотопного состава), а также широко распространенными ускорителями электронов низких энергий . простота конструкции установки с для.облучения фильтров, простота в обслуживании ускорителей упомянутого выше класса, радиационная гигиеничность, условия работы дают sosможность широкому кругу заинтересованных органиэаций производить ядер20 ные микрофильтры.

Технико-экономическая эффективность описываемого способа заключается в значительном снижении стои25 мости микрофильтров. Ориентировочный расчет показывает, что при использовании электронного ускорителя типа микротрона ИТ-22 цена 100 штук фильтров с диаметром Ф50 мм и приведенной выше плотностью пор 2 вЂ” 5 рублей.

Сотня аналогичных фильтров фирмы

Nuclear Corporation, полученных по базовому способу (21 стоят 53 доллара (м39 рублей).

Таким образом, использование опи35 сываемого способа для производства ядерных микрофильтров в 8-18 раз снижает их стоимость.

1141629

Продолжение таблицы

Эффектив0,05 мм

0,1 мм

0,2 мм 0,5 мм

KH ° мкм

7 4,7

8 3,3

0,10