Высокотемпературный источник поверхностной ионизации

Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано для получения пучков ионов при разделении изотопов или масс-спектрометрии. Высокотемпературный источник поверхностной ионизации из монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой снабжен цилиндрическим сквозным отверстием, которое выполнено вдоль кристаллографического направления [111] монокристалла. В качестве монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой могут быть выбраны материалы из ряда тугоплавких материалов, таких как: вольфрам, тантал, молибден, ванадий. Технический результат – повышение эффективности источника поверхностной ионизации без увеличения его рабочей температуры и геометрических размеров. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано для получения пучков ионов при разделении изотопов или масс-спектрометрии.

Для получения пучков ионов в целях, к примеру, ядерной медицины используют различные методы ионизации, но наиболее распространенным и простым для реализации является метод поверхностной ионизации. Суть его состоит в том, что при попадании атомов на поверхность металла часть из них испаряется в виде нейтральных частиц, а часть - в виде положительных ионов.

Как известно, степень поверхностной ионизации описывается уравнением Саха-Ленгмюра [Л.Н. Добрецов, М.В. Гомоюнова. Эмиссионная электроника. М.: «Наука», 1966 г., 564 с.]:

где α - степень поверхностной ионизации, равная:

n_a - доля атомов, испарившихся с поверхности в виде нейтральных атомов; n_p - в виде положительных ионов; g_p/g_a - отношение статистических весов ионного и атомного состояния ионизирующихся частиц; ϕ - работа выхода материала, с поверхности которого испаряются атомы; V_i - потенциал ионизации атома.

Из уравнения видно, что степень ионизации тем больше, чем больше разность работы выхода ионизатора и потенциала ионизации атомов (ϕ-V_i), стоящая в числителе экспоненты.

Известен ионный источник с поверхностной ионизацией, выполненный в виде трубки из поликристаллического вольфрама, в котором образование ионов происходит при попадании атомов ионизируемого вещества на разогретую внутреннюю цилиндрическую поверхность трубки [V.N. Panteleev, А.Е. Barzakh, D.V. Fedorov, F.V. Moroz, S. Yu. Orlov, M.D. Seliverstov and Yu. M. Volkov. High temperature ion sources with ion confinement. Rev. Sci. Instr., Vol 73, No. 2, February 2002, 738-740].

Недостатком такого источника поверхностной ионизации является его относительно низкая эффективность, связанная с невысокой степенью поверхностной ионизации на поликристаллическом вольфраме, работа выхода которого составляет (4,5-4,55) эВ [B.C. Фоменко. Эмиссионные свойства материалов. Наукова думка. Киев. 1970. 134 с].

Для повышения эффективности источника необходимо достигать высоких температур на внутренней поверхности вольфрамовой трубки, что, с одной стороны, приводит к снижению срока службы источника, а с другой - требует дополнительных технических средств нагрева, повышая при этом его стоимость.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ионный источник с поверхностной ионизацией, выполненный в виде трубки из монокристалла вольфрама, который авторы выбрали в качестве прототипа [В.Н. Пантелеев. Эксперименты на установке ИРИС МЛК ИРИНА. Сессия научного совета ОФВЭ, 23-26 декабря 2014 г.].

Известный источник обладает повышенной по сравнению с источником из поликристаллического вольфрама эффективностью благодаря анизотропии свойств монокристалла. Однако, несмотря на то, что на внутреннюю поверхность трубки выходят грани с достаточно высокими значениями работы выхода (до 5,6 эВ), интегральная работа выхода источника существенно ниже, что связано с присутствием на внутренней поверхности трубки большого числа кристаллографических граней с низкой работой выхода. Для повышения эффективности ионизации указанный источник также требует дополнительных технических средств нагрева или увеличения длины самого ионизатора, что сказывается на его стоимости.

Задача и достигаемый при использовании изобретения технический результат - повышение эффективности источника поверхностной ионизации без увеличения его рабочей температуры и геометрических размеров, что позволяет снизить стоимость получения пучков ионов.

Поставленная задача решается путем выполнения высокотемпературного ионного источника поверхностной ионизации из монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой, снабженного цилиндрическим сквозным отверстием, в котором согласно изобретению сквозное отверстие выполнено вдоль кристаллографического направления [111] монокристалла.

В качестве монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой выбраны материалы из ряда тугоплавких материалов, таких как вольфрам, тантал, молибден и ванадий.

Для дополнительного повышения работы выхода поверхность сквозного отверстия снабжена оксидной пленкой, толщина которой не превышает 1 мкм.

При расположении сквозного отверстия вдоль кристаллографического направления [111] монокристалла на внутреннюю поверхность источника выходит максимальное число граней с индексами {110}, обладающих максимальной работой выхода - (5,2-5,6) эВ.

Как подтверждают проведенные эксперименты, эффективность источника поверхностной ионизации увеличивается по сравнению с прототипом, по меньшей мере, в два раза. В частности, использование заявленного источника позволяет получать эффективность ионизации изотопов Sr более 80% при длине ионизатора до 25 мм, что обеспечивает повышенный выход изотопов и, как следствие, снижение стоимости их производства.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Высокотемпературный источник поверхностной ионизации выполнен в виде трубы из монокристаллического вольфрама, полученного методом зонной плавки. Указанный монокристалл вольфрама ориентируют по кристаллографическому направлению [111], вдоль которого выполняют сквозное отверстие цилиндрической формы диаметром 2 мм методом электроэрозионной резки. Затем методом электроэрозионной резки формируют наружную поверхность источника в форме цилиндра диаметром 7 мм, коаксиально расположенного относительно сквозного отверстия. Внутреннюю и наружную поверхность полученной трубки подвергают электрохимической полировке в NaOH. После полировки получившееся изделие подвергают термообработке в атмосфере воздуха при температуре 700°С, формируя тем самым оксидную пленку толщиной до 1 мкм.

Следует отметить, что источник может иметь любую другую форму с точки зрения технологичности конструкции, а также условий эксплуатации, и которая не является существенной с точки зрения достижения технического результата.

В зависимости от конструкции масс-сепаратора возможно формирование наружной поверхности, отличной от цилиндра формы, например в виде прямоугольного параллелепипеда.

В масс-сепараторе заявляемое устройство располагают в непосредственной близости от испаряемой мишени. Нагрев высокотемпературного источника проводят методом прямого пропускания электрического тока. Испаренные атомы мишени, попадая на разогретую внутреннюю поверхность источника, покидают ее в виде ионов, которые впоследствии направляют из облучательного устройства электростатическим полем.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является повышенное значение эффективности ионизации и, как следствие, получения радиоизотопов и снижение стоимости их производства на установках с масс-сепаратором.

1. Высокотемпературный источник поверхностной ионизации из монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой, снабженный цилиндрическим сквозным отверстием, отличающийся тем, что сквозное отверстие выполнено вдоль кристаллографического направления [111] монокристалла.

2. Источник по п. 1, отличающийся тем, что в качестве монокристаллического материала с объемно-центрированной кубической решеткой выбраны материалы из ряда тугоплавких материалов, таких как: вольфрам, тантал, молибден, ванадий.

3. Источник по п. 1, отличающийся тем, что поверхность сквозного отверстия снабжена оксидной пленкой, толщина которой не превышает 1 мкм.