ГЕРМЕТИЧНЫЙ ИЗОТОПНЫЙ ИСТОЧНИК ОСКОЛКОВ ДЕЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КАЛИФОРНИЯ-252 И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G21G4/04 

Изобретения относятся к области физикохимии поверхности и могут быть использованы при изготовлении различных источников осколков деления, применяемых в экспериментальной ядерной и радиационной физике. В качестве делящегося вещества используют спонтанно делящийся изотоп Cf-252, именуемый ниже "калифорний".

Для предотвращения утечки активного вещества и загрязнения окружающей среды источники радиоактивных излучений подвергают герметизации. Следует отметить, что осколки деления при торможении в веществе теряют на единицу длины больше энергии, чем другие виды радиоактивных излучений (альфа-, бета-, гамма-) и, соответственно, более интенсивно разрушают защитные покрытия. Известно, что слой никеля толщиной 1 мг/см² позволяет герметизировать слой калифорния толщиной 1,4 мкг/см² при диаметре активного пятна 3 мм (такое сочетание толщины активного слоя и диаметра активного пятна является своего рода стандартом и используется в эксплуатируемых установках). При меньшей толщине покрытия герметичность не гарантируется [1].

Очевидно, что с увеличением толщины покрытия надежность герметизации возрастает. Но здесь возникает другая проблема. Источник осколков деления считается спектрометрическим, если в энергетическом спектре осколков деления присутствуют два пика, соответствующие тяжелой и легкой группам осколков. Однако после прохождения 1 мг/см² никеля исходный энергетический спектр осколков деления калифорния сдвигается на 24-26 МэВ в сторону меньших энергий. Если же энергетический спектр осколков деления, вылетающих из активного пятна до нанесения герметизирующего слоя, уже сдвинут более чем на 10 МэВ относительно эталонного [2], то результирующий спектр будет сплошным, без разделения на тяжелую и легкую группы, и в тех случаях, когда требуются количественные оценки воздействия той или иной групп осколков деления, такие источники неприменимы.

Известен способ изготовления источников осколков деления, в котором осаждение калифорния производят методом электролиза на металлическую подложку, а затем активное пятно покрывают герметизирующим слоем никеля толщиной 1 мг/см² также методом электролиза [1].

Недостатком этого способа является большой расход калифорния, поскольку при осаждении электролизом количество наносимого вещества должно быть в несколько раз больше, чем необходимо осадить на подложку. Кроме того, источники осколков деления, изготовленные по этому способу, не являются спектрометрическими [1].

Предлагаемыми изобретениями решается задача изготовления герметичного источника осколков деления, имеющего энергетический спектр осколков с разделением на тяжелую и легкую группы, при минимальном расходе делящегося вещества.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство герметичного изотопного источника осколков деления на основе калифорния-252, состоящее из подложки, на которую нанесено активное пятно из калифорния, которое в свою очередь покрыто герметизирующим слоем из никеля. Данное устройство отличается от прототипа тем, что калифорний наносится в виде капли химически чистого раствора на участок подложки, заранее запыленный слоем золота толщиной 0,9-1,1 мкг/см².

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства источника. Источник включает в себя подложку 1, слой золота 2, активное пятно калифорния 3 и герметизирующий слой из никеля 4.

Преимущество такого устройства источника осколков деления состоит в том, что источник является герметичным и в то же время спектрометрическим, т.е. позволяет получать спектр осколков деления с разделением на тяжелую и легкую группы.

Предлагаемый способ изготовления источника осколков деления осуществляют в следующей последовательности.

Вначале производится радиохимическая очистка исходного вещества, содержащего калифорний-252 [3] . Критерием степени очистки является сдвиг измеренного энергетического спектра осколков деления относительно эталонного. Экспериментально установлено, что при использовании метода распределительной хроматографии возможна такая степень очистки, при которой энергетический спектр высушенной капли раствора сдвинут в область меньших энергий не более чем на 5 МэВ. Калибровку энергетической шкалы производят с использованием эталонного источника калифорния с известным энергетическим спектром.

Активное пятно калифорния получают путем осаждения капли очищенного раствора калифорния на подложку из химически инертного вещества, например из нержавеющей стали. Объем капли раствора выбирают таким, чтобы в капле была сосредоточена вся требуемая активность. В результате расход вещества оказывается минимальным и без потерь.

Для того чтобы при сушке капля не растекалась к периферии, а активность была однородно распределена в пределах образовавшегося пятна, предлагается предварительно напылять слой золота, толщина которого составляет 0,9-1,1 мкг/см², а диаметр равен требуемому диаметру активного пятна. Известно [4], что при термоиспарении золота слой такой толщины представляет собой ансамбль изолированных наночастиц размерами 3-5 нм, которые занимают ~25% площади напыленного слоя. Наличие такого слоя на поверхности подложки обусловливает однородное распределение активности по площади пятна. При этом осажденная капля высыхает на поверхности подложки в пределах площади этого слоя золота.

Далее подложку покрывают слоем никеля до толщины 1 мг/см² путем разложения карбонила никеля на поверхности подложки при температуре +180^oС. Герметизирующее покрытие из никеля, полученное в результате разложения карбонила никеля, является более прочным и лучше связанным с подложкой, чем при электролизе и тем более при термораспылении. Толщина покрытия контролируется с помощью альфа-спектрометра по сдвигу альфа-линии калифорния 6,12 МэВ.

Проверку изготовленного источника на герметичность производят следующим образом. На расстоянии 0,2-0,3 мм от поверхности источника располагают чистую алюминиевую фольгу и сборку "источник - фольга" помещают в вакуум. После определенной экспозиции измеряют альфа-активность на поверхности фольги в области альфа-пика калифорния. Проверку осуществляют периодически в процессе эксплуатации источника.

Пример.

На подложку из нержавеющей стали методом термоиспарения в вакууме наносили слой золота толщиной 1 мкг/см² диаметром 3 мм. На этот слой золота осаждали каплю радиохимически очищенного раствора калифорния объемом 0,004 мл, содержащую 0,05 мкг калифорния-252. На фиг.2 представлен энергетический спектр активного пятна, образовавшегося после высыхания капли (кривая 2). Сдвиг спектра относительно эталонного (кривая 1) составил в среднем 4 МэВ. Далее подложку покрывали никелем до толщины 1 мг/см². В энергетическом спектре осколков деления сформированного источника (кривая 3) присутствуют пики тяжелой и легкой групп со значениями энергий 52 и 70 МэВ соответственно. Выход осколков деления изготовленного источника в телесный угол 4π составляет 3,3•10⁴ с^-1.

Проверку герметичности источника проводили один раз в 3 месяца в течение одного года. В каждом цикле чистый алюминиевый сборник располагали над источником через разделительное кольцо толщиной 0,5 мм. Сборку выдерживали в вакууме 10^-6 Торр в течение 2-х суток, а затем сборник измеряли на альфа-спектрометре. Импульсов, соответствующих альфа-активности на поверхности сборников в области альфа-пика калифорния-252, на этой стадии проверки отмечено не было, что свидетельствовало о герметичности источника.

Источники информации
1. Каталог фирмы, выпускающей радиоактивные источники, Isotope Products Laboratories, Burbank, California (USA), c. 54, 1991.

2. P. Wohlfarth et al. Pulse height defect of fission fragment products in a silicon surface barrier detector. Nucl. Instr. & Meth. 140 (1977) 189-191.

3. Аналитическая химия трансплутониевых элементов. М.: Наука, 1972.

4. И. А. Баранов, В.В.Обнорский. Распыление мишеней из золота осколками деления. Атомная энергия, т. 54, вып. 3, 1983, с. 184-188.

Изобретения относятся к области физикохимии поверхности и могут быть использованы при изготовлении источников осколков деления, применяемых в различных областях атомной физики. Устройство и способ изготовления герметичного изотопного источника осколков деления на основе калифорния-252 заключаются в том, что на подложку наносят слой золота толщиной 0,9-1,1 мкг/см² с диаметром, равным диаметру активного пятна, на который осаждают в виде капли радиохимически чистый калифорний-252 и после высыхания капли наносят герметизирующий слой из никеля. Предлагаемыми изобретениями решается задача изготовления герметичного источника осколков деления, имеющего энергетический спектр осколков с разделением на тяжелую и легкую группы, при минимальном расходе делящегося вещества. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Герметичный изотопный источник осколков деления на основе калифорния-252, включающий подложку с нанесенным на нее активным пятном и герметизирующий слой из никеля, отличающийся тем, что активное пятно представляет собой высушенную каплю радиохимически чистого калифорния-252, осажденную на слой золота толщиной 0,9-1,1 мкг/см², который предварительно наносят на подложку, после чего подложку с активным пятном покрывают герметизирующим слоем из никеля. 2. Способ изготовления герметичного изотопного источника осколков деления на основе калифорния-252, включающий осаждение калифорния-252 на подложку и нанесение герметизирующего слоя из никеля, отличающийся тем, что на подложку предварительно наносят слой золота с диаметром, равным диаметру активного пятна, на который осаждают в виде капли радиохимически чистый калифорний-252, и после высыхания капли наносят герметизирующий слой из никеля.