Способ получения короткоживущих радиоактивных изотопов Советский патент 1983 года по МПК G21G1/10 

со о

00 СП

О5 Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике и может найти применение в установках, использующих масс-сепараторы или массспектрометры, работающие в линиюс с ускорителями протонов для получения радиоактивных короткоживущих изотопов. Известен способ согласно которому получение короткоживущих радиактивнцх изотопов осуидествляется с помощью ISOL (Isotop Separator on line установок, работающих на пучках различных налетающих частиц. Продукты реакций налетающих части с ядрами элементов диффундируют к по верхности мишени, нагретой до температуры выше ТОМКИ плавления, испаряются попадают в ионный источник, ион зируется и далее, сформированные ион ной оптикой, попадают в магнит-анали затор, после чего разделенные по мас сам изотопы подают к коллекторам экспериментальных установок. В качестве мишени в этом способе используют расплавленные элементы l Таким способом обычно получают легколетучие- радиоактивные изотопы (например, самария и европия). Наиболее близким техническим реше .иием к изобретению является способ получения короткоживущих радиоактивных изотопов, заключающийся в том, что пучок протонов направляют на разогретую мишень из тугоплавкого материала, образующиеся в результате облучения изотопы разделяют с помощью масс-сепаратора с последующи определением элементов t 3В данном случае в качестве мишенного вещества на пучке протонов с энергией 600 МэВ используется танталовый порошок с размерами зереи 10-20 микроу, нагреваемый до С. Вес мишенного вещества достигает 150 г/см, что обеспечивает высокую эффективность использования-протонного пучка. Такая мишень обеспечивает время задержки для иттербия родного из.самых легколетучих редкоземельных элементов )около 30 с. Недостатком известного способа является,достаточно большое время задержки иттербия, получаемого из этой мишени. Кроме того, недостатком является также невозможность получения изотопов труднолетучих редкоземельных элементов таких как лантан, церий. 1 6 празеодим, гадолиний, гольмий, тулий, лютеций, так как при тeмпepaтype необходимой для быстрого выхода этих элементов () порошок спекйется и при этом наблюдается увеличение времени задержки. При этом удаленные от полосы р -стабильности изотопы вышеуказанных редкоземельных элементов из мишени не выделяются, поскольку они обладают малым временем жизни. Целью изобретения является уменьшение времени задержки продуктов реакции в мииюни. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения короткоживущих радиоактивных изотопов, заключаюи ему в том, что пучок протонов направляют на разргретую мишень из тугоплавкого материала, образующиеся в -результате облучения изотопы, разделяют с помощью масс-сепаратора с последующим определением элементов,,в качестве мишени используют фольгу, толщиной не более 100 м скрученную в рулон, который устанавливают таким образом, чтобы ось рулона совпадала с осью протонного пучка. Обычно; когда измеряют концентрацию диффундирующего вещества в зависимости от времени для нахождения коэффициента диффузии используют второе диффузионное уравнение фика: в одномерном случае где С - концентрация исследуемого вещества;D - коэффициент диффузии. Это уравнение справедливо для малых концентраций диффундирующего вещества, что всегда выполняется в случае . разования исследуемых диффундирующих элементов в веществе MHUjeHM в реакциях. Для решения конкретных диффузионных задач это уравнение интегрируется с определенными начальными- и граничными условиями. Например, для плоской пластины, у которой толиъина а значительно меньше двух других размеров ( фольга ) при следующих начальных условиях. При t-0 cyCoO x d (в пластине) С«0 (за ее пределами и при условии , при х«0, (т.е. нет накоплениядифундируюцёгр; вещества на поверхности ) получаем ° V() -(2VM)i хе , (1) где С - концентрация диффун ирующе го вещества в момент времен CQ- концентрация диффундирующег вещества в момент времени D - коэффициент диффузии; а - толщина пластины. Так как ряд (1 ) быстро сходится, то для вычисления коэффициента диффузии обычно ограничиваются первым членом ft 2 -5- Р 0.ff2 Если в качестве t взять время в течение которого концентрация диффундирующего вещества в пластине уменьшаетЬя в два раза (время полувыделения ), после логарифмирования ( получаем: D to, 049-а 3) Время полу выделения Т-1/2 ил и среднее время задержкиТ 1;, 2 используют для характеристики быстродействия мишени. Оно показывает за какой интервал времени из выхр .дит половина образовавшейся в ней активности f О. 1/2 - g Из (4) видно, что для уменьшения времени задержки необходимо увеличи вать величину коэффициента диффузии D, чего добиваются повышением температуры мишени, так как D имеет следующую зависимость от температур D 0,0 е-®/ . (5) где Q - энергия активации диффузии D. - параметр, определяемый из эксперимента; R - постоянная Ридберга; Т К -- температура среды, в которой происходит диффузия. Из (4) также видно, что для умен шения времени задержки диффундирую«1е го вещества в мишени необходимо уменьшать ее толщину. Если использовать в качестве мишени тонкие фольги толщиной меньше 100 мкм (более толстые фольги иа-за увеличения времени диффузии (cM.Ci ) дадут временп задержки, сравнимые с временами задержки в порошковой мишени), можно обеспечить быструю диффузию продуктов реакций, поднимая температуру нагрева мишени до температуры, близкой к точке плавления мишенного вещества, например, до 2700-2800°С.для тантала. При этом не будет происходить увеличения времени задержки за счет эффекта спекания, .что имеет место в порошковых мишенях при температурах, значительно меньших температур плавления (для тантала ). Предлагае1 ый способ осуществляется следующим образом. Из фольги приготавливают плотный рулон сечением примерно равным сечению нелетающёго протонного пучка. Вес такого рулона приблизительно равен пвловине веса стержня такого же размера, что при длине мишени 100 мм обеспечивает массу, достаточную для эффективного использования протонного пучка. Далее такой рулон помещают в мишенный контейнер так, что протонный пучок попадает в торец рулона и прохЪдит параллельно .центральной его оси. Продукты реакции, образовавшиеся в мишени при высокой температуре, диффундируют к ее поверхности, испаряются в объем мишенного контейнера, попадают в ионный источник, соединенный с мишенным контейнером, ионизируются и далее, ускоренные электрическим полем и разделенные по массам в магнитном поле, доставляются к коллектору, где с помощью детекторов измеряют их радиоактивное излучение и проводят их идентификацию. Были проведены работы по реализации предлагаемого способа получения редкоземельных элементов. Приготовленная в виде плотного рулона танталовая фольга толщиной 20-5 мкм весом 40 г помещалась в контейнер, нагреваемый проходящим через него током, так, что протонный пучок проходил вдоль центральной оси рулона. Продукты реакций, выделяющиеся из вещества мишени, попадали в ионный источник и затем в виде ионов, разделенных по массам с помощью массспектра, подавали на коллектор для последующего измерения их радиоактивного излучения. Время задержки в мишени определя ли следующим образом: после облучен мишени, находящейся при температуре Т ( измерения величин в интерва вале температур ZOOO-ZyOO C} ;в момент Времени t выключали протонный пучок и начиналась имплантация ионов с определенным массовым числом А в магниГную ленту лентопротяж ного устройства, являющуюся коллектором масс-сепаратора. Далее через 1 La Се Рг Ей Элемент

время полувыделения, с 32 16 12

1

С использованием мишени из танталовых фолы на установке ИРС.С были получены и исследованы нейтронодефицитные изотопы тулия и лютеция.

Преимуи|ество предлагаемого способа состоит в том, что используя мишень достаточно большой массы, что обеспечивает высокую эффективность работы на протонном пучке, можно получать из нее широкий круг элементов с малыми временами, задержки. Данный способ позволяет изLU

kQ

ЦО

20

12

1

бежать увеличения времени задержки из-за эффекта спекания, что дает возможность работать при температуре , достаточно близкой к температуре, плавления мишенного вещества и обеспечивает максимальную величину коэффициента диффузии,, а значит минимальное значение времени задержки. Это позволяет эффективно получать и исследовать короткоживуцие радиоактивные изотопы, с малыми периодами полураспада. 66 интервал времени лt(время имплантации/, высаженный на ленту источник подавали к детекторам излучения, с помощью которых измеряли его активность и проводили дополнительную иденти()икацию по его периоду полураспада. Во время имплантации следующего источника измеряли предыдущий и так далее,- По спаду активности имплантированных источников с вычетом фона и учетом поправки на распад измеряли время задержки атомов продукта в мишени. В таблице приведены полученные из мишени элементы и времена их полувыделения при температуре 2700 С. 1 Gd Tb 1 Но Tm 1 УЬ 1

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОРОТКОЛИВУЩИХ , РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ, заключающийся в том, что пучок про тоноа направляют на разогретую мишень из тугоплавкого материала, о азущиеся в результате облучения изотопы разделяют с помощью масс-сепаратора с последующим определением элементов, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времёtw задержки продуктов реакции в мишени, в качестве мишени используют фольгу, толщиной ;яе более 100 мкм, скрученную в рулон, который устанавливают таким образом, чтобы ось рулона совпадала с осью протонного ,пучка. (Л