Способ изготовления и установки на пучок ускоренных ионов графитовой фольги

 

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к устройствам для инжекции ионов на орбиту и для выбрасывания их с орбиты, и может быть применено для изготовления и установки перезарядных фольг тандемных ускорителей, а также для изготовления и установки мишеней или подложек мишеней для ядерно-физических экспериментов. Решают задачу улучшения эксплуатационных характеристик изготовления и установки графитовых фольг на пучок ускоренных ионов, за счет того, что фольга, которая имеет толщину от 10 до 500 мкг/см², и вследствие этого очень хрупка, изготавливается прямо на месте ее использования из установленной на этом месте органической пленки. Изготовление графитовой фольги происходит путем облучения органической пленки самим пучком ускоренных ионов сначала до степени ее карбонизации, а затем при увеличении тока пучка до графитизации.

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к устройствам для инжекции ионов на орбиту и для выбрасывания их с орбиты, и может быть применено для изготовления и установки перезарядных фольг тандемных ускорителей, а также для изготовления и установки мишеней или подложек мишеней для ядерно-физических экспериментов.

Известны способы изготовления и установки графитовых фольг, применяемых в основном в качестве перезарядных, заключающиеся в том, что на какую-либо твердую подложку (чаще стеклянную) конденсируют пары графита, которые получают либо в электрической дуге, либо путем распыления графита с поверхности графитового стержня как с помощью электронной пушки, так и с помощью пучка тяжелых ионов, либо путем крекинга гидрокарбонатных газов в тлеющем разряде [1] Образовавшуюся при конденсации графитовую фольгу отделяют от подложки и закрепляют на держателе, после чего держатель устанавливают на пути пучка ускоренных ионов и откачивают рабочий вакуум.

Недостатком данного способа являются сложность его осуществления и требующие прецизионных действий эксплуатационные характеристики, т.к. для пучков ускоренных ионов в зависимости от их энергии используют графитовые фольги толщиной от 10 до 300 мкг/см², которые очень хрупки.

Наиболее близким по достигаемому положительному эффекту к заявляемому изобретению является способ изготовления и установки на пучок ускоренных ионов графитовых фольг, описанный в работе [2] (прототип). Способ заключается в том, что на твердую подложку, покрытую предварительно неким слоем вещества, дающим возможность отделить графитовую фольгу от подложки после изготовления, с помощью электродугового разряда между графитовыми электродами попеременно напыляют слои из частиц графита диаметром то по 0,5 мкм, то по 0,03 мкм, затем при достижении требуемой толщины образовавшуюся фольгу отделяют от подложки и устанавливают на держателе, после чего держатель с фольгой устанавливают на пути пучка ускоренных ионов и откачивают рабочий вакуум.

Недостатком способа является сложность его осуществления. Все операции по изготовлению и установке графитовых фольг являются прецизионными и вероятность довести всю последовательность операций до завершения из-за хрупкости фольг довольно низка, т.к. для пучков ускоренных ионов в зависимости от их энергии используют графитовые фольги толщиной от 10 до 50 мкг/см². На любой стадии операций возможно разрушение фольг. Причем часто происходит и самопроизвольное разрушение фольг в процессе их хранения или транспортировки. Довольно критичной фазой установки графитовой фольги на пучок ионов является создание рабочего вакуума, при котором на нее может быть направлен пучок ускоренных ионов. Это очень деликатная операция, требующая из-за хрупкости фольги создавать вакуум при низкой скорости откачки, на что уходит много времени. Это приводит при использовании таких фольг в качестве перезарядных для вывода пучка к большой потере ускорительного времени.

Кроме того, при существующих технологиях изготовления графитовых фольг трудно достичь малого разброса в толщинах фольг и при смене, например, перезарядных фольг необходимо подстраивать ускоритель применительно к каждой конкретной фольге, что ведет к изменению характеристик пучка ионов. Это в свою очередь может быть недопустимо при проведении тонких физических экспериментов.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик изготовления и установки на пучок ускоренных ионов графитовых фольг.

Цель достигается тем, что на пути пучка ускоренных ионов устанавливают держатель фольги, в который предварительно закрепляют органическую пленку, откачивают рабочий вакуум и облучают пленку самими ускоренными ионами до состояния карбонизации, а затем графитизации путем увеличения тока пучка.

Существенными отличительными признаками предлагаемого способа являются следующие: в держатель предварительно устанавливают органическую пленку, облучают пленку ускоренных ионами до состояния карбонизации, после достижения карбонизации производят графитизацию пленки путем увеличения тока пучка ионов.

Совокупность указанных выше признаков позволяет достичь улучшения эксплуатационных характеристик изготовления и установки на пучок ускоренных ионов графитовых фольг.

Установка органической пленки в держатель, а затем и держателя с пленкой на пучок ионов является довольно простой операцией, не требующей никакой прецизионности из-за довольно высокой прочности и гибкости такой пленки. Использование такой пленки позволяет создавать рабочий вакуум на пути пучка со значительно большей, чем при установке графитовой фольги, скоростью откачки. После установки пленки и создания вакуума на органическую пленку направляют пучок ускоренных ионов такой интенсивности, при которой еще не происходит плавления пленки. Под действием пучка ионов происходит наблюдаемая нами карбонизация пленки. Пленка изменяет свои линейные размеры и меняются ее физические свойства. Этот процесс протекает в течение нескольких единиц или десятков (в зависимости от параметров пучка ионов) секунд. Затем ток ускоренных ионов увеличивают до рабочего уровня. При этом будет происходить графитизация и завершится стадия превращения органической пленки в графитовую фольгу. Этот процесс происходит за доли секунд. Дальнейшие действия с изготовленной и установленной таким способом графитовой фольгой могут быть такими же, как с фольгой, изготовленной каким-либо другим способом.

Положительным эффектом предлагаемого способа является достижение лучших по сравнению с прототипом эксплуатационных свойств изготовления и установки на пучок ускоренных ионов графитовых фольг, так как графитовая фольга изготавливается прямо на месте ее использования и с помощью самого пучка ускоренных ионов.

Другим положительным эффектом предлагаемого способа изготовления графитовой фольги является простота достижения ее высокой равномерности по толщине, так как это достигается использованием равномерной по толщине органической пленки, что уже достигнуто в промышленном масштабе. Это также позволяет получать и высокую воспроизводимость толщины фольги при ее смене.

В качестве примера конкретного выполнения могут быть приведены результаты наших экспериментов и уже имеющегося опыта по изготовлению и установке на пучок ускоренных ионов графитовых перезарядных фольг. Эти фольги используются при выводе пучка ионов из циклотронов У-400 и У-400М Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований.

Основные эксперименты по изготовлению и установке на пучок ускоренных ионов графитовых перезарядных фольг были проведены с органической пленкой из полиэтилентерефталата толщиной от 80 до 400 мкг/см². Успешные эксперименты были проведены также с пленкой из форвара, но в меньшем объеме из-за малого количества этого вещества, имевшегося в нашем распоряжении.

На циклотроне У-400 эксперименты были проведены с ионами от бора до криптона, имеющими энергию от 5 до 20 МэВ/нуклон, а на циклотроне У-400 М на ионах углерода и кислорода с энергией 45 МэВ/нуклон.

В качестве объекта для сравнения были взяты используемые до последнего времени в лаборатории графитовые перезарядные фольги, изготовленные как у нас в лаборатории, так и других странах мира (Франции, Германии и США). Свойства этих фольг примерно одинаковы. Эти фольги довольно хрупкие, хранятся наклеенными на держатели в специальных коробках и могут быть легко разрушены даже при неосторожном открытии коробки. Установка их на пучок ионов довольно прецизионная операция, особенно при введении их в вакуумный объем циклотрона через шлюз.

Органические же пленки, используемые нами, намного более прочны и гибки. Они устанавливаются в тот же самый держатель, что и графитовые фольги.

Держатель с органической пленкой помещается в шлюз, после чего в нем откачивается вакуум, а затем держатель с пленкой вводится в вакуумный объем циклотрона на орбиту внутреннего пучка. При этом время введения держателя с пленкой на орбиту существенно сокращается из-за возможной большей скорости откачки.

Создана специальная программа для расчета на ЭВМ предельного тока пучка ионов в зависимости от материала и толщины пленки, а также сорта ионов и их энергии, при котором еще не происходит плавления пленки. При контроле по внутреннему пробнику в циклотроне достигается рассчитанная величина тока ионов и эти ионы направляются на органическую пленку. При этом происходит карбонизация пленки. Время карбонизации установлено экспериментально и составляет от единиц до десятков секунд в зависимости от сорта ионов. Затем ток ионов увеличивается до требуемого условиями эксперимента, в том числе и до максимально возможного, в это время проходит графитизация. В дальнейшем условия работы с использованием этой изготовленной и установленной предлагаемым способом графитовой фольгой не отличаются от обычных.

Как показывает опыт, эксплуатационные свойства перезарядной графитовой фольги (эффективность вывода пучка, срок службы, зарядовое распределение выведенного пучка и др.), изготовленной и установленной предлагаемым способом, аналогичны лучшим образцам графитовых фольг, изготовленных традиционным способом. В то же время с помощью предлагаемого способа достигается лучшая воспроизводимость и однородность толщин фольг (это было проверено как прямыми измерениями с помощью альфа-спектрометра толщин, изготовленных предложенным способом фольг, так и по результатам эксплуатации циклотронов), что позволяет воспроизводить параметры выведенного пучка ионов после смены фольги.

Формула изобретения

Способ изготовления и установки на пучок ускоренных ионов графитовой фольги, включающий установку на пути пучка держателя и откачку рабочего вакуума, отличающийся тем, что в держатель в качестве сырья предварительно устанавливают органическую пленку, карбонизацию пленки производят, облучая ее ускоренными ионами, а последующую графитизацию проводят, увеличивая ток пучка ионов.