Способ изготовления мессбауэровского источника на основе кобальта-57

Изобретение относится к технологии изготовления источников на основе радионуклида ⁵⁷Со для ядерной гамма-резонансной (мессбауэровской) спектроскопии. Способ включает нанесение родия или хрома на поверхность подложки из графита или окиси бериллия при помощи метода химического осаждения из газовой фазы летучих металлсодержащих соединений или сокращенно CVD-процесса (Chemical vapor deposition - химическое осаждение из газовой фазы) с последующим электролитическим осаждением радионуклида ⁵⁷Со на поверхность подложки. Способ позволяет получать источники ⁵⁷Со с шириной линии испускания не более 0,12 мм/с при поверхностной активности ⁵⁷Со до 500 мКи/см² в металлической матрице на подложках любой формы.

 

Изобретение относится к технологии изготовления источников на основе радионуклида ⁵⁷Со для ядерной гамма-резонансной (мессбауэровской) спектроскопии.

Ранее описаны способы изготовления мессбауэровских источников на основе кобальта-57 [Nucl. Instr. And Methods, 1964, v. 26, N2, p.269-273, Stephan I.; Nucl. Instr. And Methods, 1967, v. 54, N2, p.105-109, Deji I., Molnar В.; RU 2084981, МПК G21G 4/06, от 25.01.1995], в которых ⁵⁷Co электролитически осаждают на тонкие (6-12 мкм) фольги различных металлов, а затем при температурах 950-1400°С в течение 2-50 часов проводят диффузионное внедрение радионуклида в металлическую матрицу. Эти способы позволяют получать источники с малой шириной линии испускания (не более 0,13 мм/с) при поверхностной активности ⁵⁷Co до 500 мКи/см², однако имеют существенные недостатки:

а) длительный термический отжиг металлических фольг (полученных прокаткой) перед процессом электрохимического осаждения целевого радионуклида для устранения деформационных напряжений кристаллической решетки металла;

б) работа с фольгами достаточно сложна, учитывая, что подготовка к электроосаждению включает в себя изолирование обратной стороны фольги, часть ⁵⁷Со при этом адсорбируется на изоляторе. Кроме того, тонкие пленки хрома чрезвычайно хрупкие, поэтому изготовление их и работа с ними связаны с большими трудностями.

Некоторые из описанных выше недостатков устраняются в патенте [RU 2254629, МПК G21G 4/06, опубликованный 20.07.1997, БИ №17, от 20.07.2005], в соответствии с которым слой металлической матрицы формируют на поверхности графита или окиси бериллия магнетронным напылением соответствующего металла.

Полученная таким образом металлизированная подложка удобна для дальнейших технологических операций: не требует специальных приспособлений для работы с тонкими фольгами, позволяет использовать щадящий режим термодиффузии радионуклида в матрицу.

Кроме того, метод позволяет получать источники на основе ⁵⁷Со в матрицах родия или хрома с шириной линии испускания 0,11-0,12 мм/с при поверхностной активности ⁵⁷Со до 500 мКи/см².

Данный способ следует рассматривать в качестве прототипа изобретения.

Основной недостаток предложенного метода заключается в сильном внутреннем напряжении конденсированных пленок родия и в особенности хрома, что, в свою очередь, является причиной неконтролируемого механического разрушения покрытия. Иногда это проявляется в наблюдаемом отслаивании, вспучивании и растрескивании пленки. Если этот дефект проявляется в процессе изготовления источников, это приводит к потере дорогостоящего сырья - ⁵⁷Со. В некоторых случаях этот недостаток выявляется в виде изменения формы линий спектра испускания при эксплуатации источника и уже не может быть устранен.

Кроме того, реализация данного способа требует специального дорогостоящего оборудования.

Поэтому на первое место при выборе метода металлизации выходит его способность реализации надежного сцепления пленочного покрытия с керамической или графитовой подложкой, которая исключила бы островковое отшелушивание и осыпание.

Наилучших результатов в этом направлении можно достигнуть, используя метод химического осаждения из газовой фазы металлсодержащего соединения или сокращенно CVD-процесса (Chemical vapor deposition - химическое осаждение из газовой фазы). Высокая проникающая способность газа в микрорельеф подложки и гетерогенный тип реакции обеспечивают максимальные адгезионные параметры покрытия. Полученные таким способом пленки, даже в случае их растрескивания, не отшелушиваются от подложки и, следовательно, не приводят к ухудшению спектральных характеристик.

Изготовление мессбауэровских источников на основе ⁵⁷Со начинается с нанесения металлического слоя родия или хрома на поверхность графита или окиси бериллия в реакционном аппарате, в который подается газообразное металлсодержащее соединение. После подачи газообразного соединения происходит разложение последнего на разогретой подложке, вследствие чего на поверхности формируется слой металла. На сформированную таким образом матрицу электролитически наносится радионуклид ⁵⁷Co с последующей его термодиффузией в вакууме.

Применение CVD-процесса для нанесения матрицы металлического хрома или родия позволяет снизить температуру процесса, а также контролировать толщину слоя металла на поверхности подложки путем регулирования скорости подачи рабочего вещества.

Основными достоинствами предложенного метода в сравнении с прототипом являются:

- прочное сцепление сформированных пленок родия и хрома с подложкой, исключающих деформацию и разрушение матрицы;

- возможность формирования металлической матрицы на поверхностях сложной геометрии;

- низкая стоимость технологического оборудования, использованного в CVD-процессе получения металлических пленок.

Изобретение позволяет получать источники ⁵⁷Со в матрице родия или хрома с шириной линии испускания не более 0,12 мм/с при поверхностной активности ⁵⁷Со до 500 мКи/см² на подложках любой формы и размера.

Технический результат изобретения заключается в возможности изготовления высоконадежных мессбауэровских источников ⁵⁷Со с пленочной матрицей родия или хрома, не изменяющих свои спектральные характеристики при нарушении ее целостности.

Пример 1.

Подложка из графита устанавливается на нагревательный элемент внутри реакционного аппарата. После достижения вакуума (≤10Па) и температуры нагревательного элемента 300°С в аппарат подается летучее (в данных условиях) металлсодержащее соединение H₂Rh(PF₃)₄. Подача летучего соединения осуществляется с помощью вентиля тонкой регулировки. Так, для достижения толщины слоя родия 10 мкм продолжительность процесса составляет 10 мин.

Полученная подложка после окончания процесса формирования на ней родиевой матрицы помещается в электролитическую ячейку из органического стекла и через силиконовую прокладку уплотняется в ячейке.

В стаканчик объемом 3 мл отбирают необходимое количество солянокислого раствора ⁵⁷Со, добавляют 1 мл раствора электролита (водный раствор цитрата и сульфата аммония), 2 капли гидразин гидрата и 4 капли 25% раствора аммиака. Раствор перемешивают и вносят пипеткой в электролитическую ячейку с анодом из платины.

Электролиз проводят при плотности тока 100 мА/см². Через каждый час в ячейку добавляют раствор гидразин гидрата и раствор аммиака. Процесс осаждения длится 2,5 часа. После окончания процесса остатки электролита отбираются из ячейки. Подложку с осажденным на нее ⁵⁷Со извлекают из ячейки, измеряют ее активность и помещают в кварцевую ампулу.

Кварцевая ампула вакуумируется до давления 10^-3Па, а затем проводится термодиффузия ⁵⁷Со при температуре 1000±10°С в течение 1,5 часов. После диффузионного отжига образец охлаждается с печью до комнатной температуры.

Подложку извлекают из кварцевой ампулы, измеряют ее активность и мессбауэровские характеристики.

Пример 2.

Подложка из окиси бериллия устанавливается на нагревательный элемент внутри реакционного аппарата. После достижения вакуума (≤10 Па) и температуры нагревательного элемента 300°С в аппарат подается летучее (в данных условиях) металлсодержащее соединение Сr(С₈Н₁₀)₂ (бисэтилбензол-хром). Для улучшения условий формирования хромовой матрицы в исходное соединение вводится хлорсодержащее летучее соединение порядка 1-2 об.% основного металлсодержащего соединения. Подача летучего соединения осуществляется с помощью вентиля тонкой регулировки. Так, для достижения толщины слоя хрома 10 мкм продолжительность процесса составляет 12 мин.

Полученная подложка после окончания процесса формирования на ней родиевой матрицы помещается в электролитическую ячейку из органического стекла и через силиконовую прокладку уплотняется в ячейке.

В стаканчик объемом 3 мл отбирают необходимое количество солянокислого раствора ⁵⁷Со, добавляют 1 мл раствора электролита (водный раствор цитрата и сульфата аммония), 2 капли гидразин гидрата и 4 капли 25% раствора аммиака. Раствор перемешивают и вносят пипеткой в электролитическую ячейку с анодом из платины.

Электролиз проводят при плотности тока 100 мА/см². Через каждый час в ячейку добавляют раствор гидразин гидрата и раствор аммиака. Процесс осаждения длится 2,5 часа. После окончания процесса остатки электролита отбираются из ячейки. Подложку с осажденным на нее ⁵⁷Со извлекают из ячейки, измеряют ее активность и помещают в кварцевую ампулу.

Кварцевая ампула вакуумируется до давления 10^-3 Па, а затем проводится термодиффузия ⁵⁷Со при температуре 1000±10°С в течение 1,5 часов. После диффузионного отжига образец охлаждается с печью до комнатной температуры.

Подложку извлекают из кварцевой ампулы, измеряют ее активность и мессбауэровские характеристики.

Способ изготовления мессбауэровского источника на основе ⁵⁷Со, включающий электролитическое осаждение ⁵⁷Со на металлическую матрицу из родия или хрома, сформированную на поверхности графита или окиси бериллия, и последующую термодиффузию ⁵⁷Со в металл, отличающийся тем, что металлическую матрицу формируют на поверхности подложки методом химического осаждения из газовой фазы металлсодержащего соединения.