Устройство для облучения радиоактивными ионами

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ РАДИОАКТИВНЬМИ ИОНАМИ, содержащее вакуу 4ную камеру, резервуар для радиоактивного вещества, испаритель с нагревателем, набор проволочек для подачи радиоактивного вещества в испаритель , ионизатор с нагревателем, тепловой экран, вытягивающий и ускоряющий электроды, трубку для подачи кислорода и облучаемый образец, о т л ич а ю щ е .ее я тем, что, с целью повьшения эффективности и снижения радиационного загрязнения устройства, в него дополнительно введен датчик, фиксирующий наличие облучаемого образца , а ускоряющий электрод вьшолнен в виде цилиндра с двойными боковьтми стенками, между которыми размещена обмотка охлаждения, и одним дном, в котором имеется отверстие для вывода пучка радиоактивных ионов, причем датчик соединен через усилитель-фор (Л мирователь с коммутатором напряжения на вытягивающем электроде, а к одному из входов коммутатора подключен исг точник запирающего напряжения. 2, Устройство по П.1, о т л и ч а ю щ е е с я ,тем, что, с целью повышения монохроматичности пучка ионов, ускоряющий электрод покрыт слоем изо00 О) лятора с теплопроводностью, близкой к теплопроводности металлов. Од СО

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

АР 4 С 21 K 5/04

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

1вакаоюзнля1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3440335/18-25 (22) 19.(15.82 (46) 07. 1!.88. Бюл. У 41 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова (72) Б.И.Кузнецов, А,Г.Пузыревич, Ю.А.Панов, А.Г.Рыбасов, Г.Г.Бочарова, З.П.Белых и Ю.В.Булгаков (53) 621.039.55(088.8) (56) Zuk W., Naczka D., Lafuszynki А., Wasiak А., Implantation wi.th radioactive isotope ions Хе, Kr, P. Nucleoni ca, v. 24, 11 3, . 1979, р. 203-211.

Davel Н,L., Perel J. l.ithium and

Sodium surface ionizatiou ion source

operation and. ef f ici ency, Rev. Sci ..

Instrum. v..42, N - 9, 1971, р.13241328.

Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов, M., Атомйздат, 1972, с.57. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ

РАДИОАКТИВНЬМИ ИОНАМИ, содержащее вакуумную камеру, резервуар для радиоактивного вещества, испаритель с нагревателем, набор проволочек для по„„SU„„1086969 А1 дачи радиоактивного вещества в испаритель,иониэатор с нагревателем, тепловой экран, вытягивающий и ускоряющий электроды, трубку для подачи кислорода и.облучаемый образец, о т л ич а ю щ е .е с я тем, что, с целью повышения эффективности и снжкения радиационного загрязнения устройства, в него дополнительно введен датчик, фиксирующий наличие облучаемого образца, а ускоряющий электрод выполнен в виде цилиндра с двойными боковыми стенками, между которыми размещена обмотка охлаждения, и одним дном, в котором имеется отверстие для вывода пучка радиоактивных ионов, причем датчик соединен через усилитель-фор мирователь с коммутатором напряжения на вытягивающем электроде, а к одному из входов коммутатора подключен ис-. точник запирающего напряжения.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я, тем, что, с целью повышения монохроматичности пучка ионов, ускоряющий электрод покрыт слоем изолятора с теплопроводностью, близкой к теплопроводности металлов.

1086969

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в, установках для нанесения радиоактивных меток на образцы и изделия для контроля технологических процессов методом радиоактивных индикаторов, а также для изучения процессов износа поверхности изделий.

С точки зрения рационального использования радиоактивного изотопа, из которого в источнике получают радиоактивные ионы, минимальных радиа ционных загрязнений деталей и узлов установки, наилучшими параметрами об- 35 ладают ионные источники, в которых происходит термическое испарение радиоактивного материала, а затем его ионизация различными способами.

Известно устройство для получения 20 радиоактивных ионов Х, К „, Р, в котором для получения радиоактивных ионов из твердых веществ (например фосфора) последнее помещается в испаритель, откуда пары вещества подаются в разрядную ячейку магнетронного типа, где они ионизируются и выводятся из ячейки в ускоряющий промежуток установки с помощью вытягивающего электрода, на который подается отри- З0 цательный потенциал.

Данное устройство сложно по конструкции; в источнике для зажигания разряда в магнетронной ячейке необ ходима система напуска газа (например аргона), необходимы источники пи-. тания для разрядной ячеики и магнита, в котором она помещается, для поддержания разряда в ячейке должно поддерживаться вполне определенное давление g0 паров радиоактивного материала.

Более простыми по конструкции и эффективности ионизации .паров радиоактивного материала являются ионные источники, в которых используется явле- 45 ние поверхностной ионизации атомов ще лочных металлов на поверхности вольфрама.

Наиболее близким техническим решением является устройство для облучения радиоактивными ионами, содержащее вакуумную камеру, резервуар для радиоактивного вещества, испаритель с нагревателем, набор проволочек для подачи радиоактивного вещества в испаритель, ионизатор с нагревателем, тепловой экран, вытягивающий и ускоряющий электроды, трубку для подачи кислорода и облучаемый образец.

Из резервуара, в котором радиоактивное вещество плавится за счет тепла, поступающего из нагревателя испарителя, металл за счет капиллярных сил по пучку проволочек поступает в испаритель, откуда по питающей трубке пары металла поступают в пористый вольфрамовый ионизатор, который нагрет до высокой температуры нагревателем ионизатора. Нагреватель ионизатора с помощью теплового экрана изолируется от вытягивающего электрода, выполненного в виде пластины с отверстием, расположенным на одной оси с вольфрамовым ионизатором. При подаче потенциала на вытягивающий электрод ионы металла извлекаются из вольфрамового ионизатора и ускоряются в электрическом поле, приложенным между вытягивающим электродом и ускоряющим электродом, выполненным в виде пластины с отверстием, расположенным соосно с отверстием в вытягивающем электроде. Для уменьшения эммитанса пучка ионов, уменьшения влияния пространственного заряда после ускоряющего электрода располагается замедляющий электрод, применение которого дает хорошие результаты при величинах ус-< коряющего напряжения от нескольких сотен вольт до нескольких десятков киловольт. Через трубку подачи кислорода на вольфрамовый ионизатор можно подводить кислород, что приводит к повышению степени ионизации паров металла для ряда элементов (например лития, натрия и др.). !

Известное устройство имеет ряд не< достатков. Один из них - это инерционность источника, поскольку при данной конструкции источника из-за медленности процессов нагревания и охлаждения нельзя мгновенно получить и выключить пучок ионов на выходе из источника ионов. Этот недостаток приобретает особую остроту при использо-. вании прототипа для получения пучка . радиоактивных ионов и применения его для нанесения радиоактивных меток на серию иэделий, располагаемых на сис- теме подачи образцов в вакуумной камере установки. При данной конструкции ионного источника пучок ионов будет поступать из источника и в моменты смены обрабатываемых деталей, что приводит к непроизводительному расходу радиоактивного вещества и ра"

1086969 диационному загрязнению деталей уста/ ковки

Кроме того, из-зз неполной ионкза. ции паров металла (в прототипе эффек5, тивиость ионизации ионов 1.1 изменяют от 407 в отсутствие окисления до

707. при непрерывном окислении поверхности ионизатора ) за счет разности парциальных давлений в источнике и lp вакуумной камере установки нейтральная компонента паров металла выходит из источника и осаждается на деталях установки, что приводит в случае использования прототипа для получения радиоактивных ионов и облучения.ими образцов и изделий также к непроизводительному расходу радиоактивного вещества и радиационному загрязнению установки. 20

Целью настоящего изобретения является повьппение эффективности и снижение радиационного загрязнения устрой. ства для облучения радиоактивными ионами, а также повьппение монохроматич- 25 ности пучка ионов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для облучения радио активными ионами, содержащее вакуумную камеру, резервуар для радиоактив- 30 ного вещества, испаритель с нагревателем, набор проволочек для подачи радиоактивного вещества в испаритель, ионизатор с нагревателем, тепловой экран, вытягивающий и ускоряющий электроды, трубку для подачи кислорода и облучаемый образец, дополнительно введен датчик, фиксирующий наличие облучаемого образца, а ускоряющий электрод выполнен в виде цилиндРа с двой- 40 ными боковыми стенками, между которыми размещена обмотка охлаждения, и одним дном, в котором имеется отверс-. тие для вывода пучка радиоактивных йонов, причем датчик соединен через

-усилитель — формирователь с коммут1атором напряжения на выталкивающем электроде, а к одному из входов коммутатора подключен источник запирающего напряжения. Кроме того, ускоряющий электрод покрыт слоем изолятора с теплопроводностью, близкий к теплопроводности металлов.

На чертеже приведена общая схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из резервуара

1 для радиоактивного вещества, нагревателя испарителя 2, нагревателя конизатора 3, теплового экрана 4, трубки для подачи кислорода 5,-замедляющего электрода 6, облучаемого образца 7, датчика 8 индикации образца, источника питания 9 запирающего напряжения, усилителя-формирователя 10 сигналов с датчика 8, коммутатора напряжения 11, ускоряющего электрода

12, охлаждающей обмотки 13, вытягивающего электрода 14, слой изолятора

15, вольфрамового ионизатора 16, питающей трубки 17, набора проволочек

18 для подачи радиоактивного вещества в испаритель.

Резервуар 1 с радиоактивным веществом соединен с питающей трубкой 17., на которой расположены обмотки нагревателя испарителя 2 и нагревателя ионизатора 3. В жидкий металл или радиоактивное вещество в жидком состоя" нии в резервуаре 1 опущен один конец набора проволочек 18, второй конец которых расположен в объеме нагревателя испарителя 2. В свободном торце питающей трубки помещен вольфрамовый ионизатор 16. Вытягивающий электрод

14 экранирован от вольфрамового ионизатора 16 с помощью теплового экрана 4, при этом отверстия для выхода пучка ионов в тепловом экране 4, вытягивающем электроде 14, ускоряющем электроде 12 и замедляющем электроде

6, расположены соосно, на этой же оси помещен облучаемый образец 7. Между боковыми стенками ускоряющего элект1.о" да 12 расположена охлаждающая обмотка

l3, а сам ускоряющий электрод 12 отде» лен от вытягивающего электрода 14 с помощью слоя изолятора 15.

Датчик 8 индикации образца соединен через усилитель-формирователь сигналов 10 с коммутатором напряжения

11; один вход которого соединен с источником 9 запирающего напряжения, а второй — с источником высокого напряжения для ускорения ионов. Выход коммутатора напряжения ll соединен с вытягивающим электродом 14.

Устройство работает следующим образом.

Жидкий металл, содержащий радио активный изотоп или раствор радиоак". тивного вещества, за счет капиллярных сил подается в область питающей трубки 17, иагреваемой нагревателем испарителя 2. Металл или (раствор) кспаряется и его пары за счет разности парциальных давлений подаются на вольфрамовый ионизатор 16, выполнен1086969 ный из пористого вольфрама и нагрева-. емый нагревателем ионизатора 3. Пары .металла взаимодействуют с поверхностью вольфрама за счет разности рабо5 ты выхода валентных электронов щелочных металлов и вольфрама, ионизируются и вытягиваются в ускоряющий промежуток путем подачи отрицательного нап-ряжения на вытягивающий электрод 14. 10

Ускоряющий промежуток ионов образован между вытягивающим электродом 14 и дном ускоряющего электрода 12.

Ускоряющий электрод 12 выполнен в виде цилиндра с двойными стенками и одним дном, в котором расположено отверстие для вывода пучка радиоактивных ионов ° Электрод расположен открытым торцом к вольфрамовому ионизатору 16. Между двойными стенками элект- 20 рода расположена охлаждающая обмотка

13. Для устранения искажения электрического поля внутри ускоряющего электрода внутренняя поверхность боковых стенок и передняя часть электрода, 25 которая обращена к вытягивающему электроду,.покрыты слоем изолятора 15 с теплопроводностью, близкой к теплопроводности металлов.

Нагретая нейтральная компонента ра-30 диоактивного газа при выходе из вольфрамового иониэатора попадает в объем, ограниченный дном ускоряющего электрода 12 и его боковыми стенками, покрытыми слоем изолятора, который за счет хорошей теплопроводности охлажден до температуры ускоряющего электрода 12. Нагретые пары металла или рарадиоактивного вещества, попадая на холодные стенки, осаждаются, и внутрь 40 вакуумной камеры установки попадает лишь незначительная часть, величина которой определяется размерами диаф I рагмы в ускоряющем электроде 12 и величиной зазора между слоем изолято- 45 ра 15 и вытягивающим слоем электрода

14. Проходя ускоряющий промежуток и замедляющий электрод 6, пучок ионов попадает на облучаемый образец 7.

Датчик 8 индикации образца электрическими (например с помощью фотодиодов или другими способами) фиксирует наличие образца на месте, где он должен находиться при облучении и нанесении на него радиоактивной метки.

Сигнал с датчика 8 подается на усили«55 тель-формирователь 10, который вырабатывает сигнал, необходимый для управления коммутатором напряжения 11, который, подает отрицательное напряжение на вытягивающий электрод 14 при наличии образца на месте облучения или включает положительное запирающее напряжение от источника 9 питания запирающего напряжения при отсутствии образца или в процессе его смены °

Таким образом, поставленная цель— повышение эффективности и снижение радиационного загрязнения устройст-. ва — достигается за счет перекрытия пучка радиоактивных ионов при отсутствии образца на месте облучения или его смене и эа счет осаждения нейтральной компоненты радиоактивного газа на внутренних стенках ускоряющего электрода.

Для случая получения радиоактивных . ионов и облучения ими образцов и изделий предлагаемое устройство обладает рядом преимуществ перед базовым устройством — установкой для получения ионов и внедрения их в изделия с ионными источником типа дуаплазматрон, широко применяемым для ионного легирования поверхности материалов и изделий.

Малый расход радиоактивного изотопа, что достигается подбором оптимального режима испарения радиоактивного вещества.

Высокая степень ионизации паров металла, что является характернымпреимуществом всех типов ионных источников, работа которых основана на явлении поверхностной ионизации, Отсутствие необходимости использовать систему сепарации ионов по массам, так как в вольфрамовом ионизаторе получают только ионы вводимого щелочного металла.

Минимальное радиационное загрязнение деталей установки, локализация радиоактивности в ионном источнике, что делает установку безопасной в работе.

Возможность применения простых схем ионной оптики из-за малых размеров ионного пучка на выходе из источника, простота изменения интенсивности пучка радиоактивных ионов с по" мощью регулировки температуры испарителя.

1086969

Фиг

Редактор Н.Сильнягина Техред N.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Заказ 5572

Тираж 395 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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