Устройство для облучения радиоактивными ионами Советский патент 1988 года по МПК G21K5/04 

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в , установках для нанесения радиоактивных меток на образцы и изделия для контроля технологических процессов ме тодом 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 радиационных загрязнений деталей и узлов установкиj наилучшими параметрами об ладают ионные источники, в которых происходит термическое испарение радиоактивного материала, а затем его ионизация различными способами. Известно устройство для получения радиоактивных ионов Х, К., Р, в котором для получения радиоактивных ионов из твердых веществ (например фосфора) последнее помещается в испа ритель, откуда пары вещества подаются в разрядную ячейку магнетронного типа, где они ионизируются и вьшодят ся из ячейки в ускоряющий промежуток установки с помощью вытягивающего электрода, на который подается отрицательный потенциал. Данное устройство сложно по конст рукции: в источнике для зажигания разряда в магнетронной ячейке необходима система апуска газа (например аргона), необходимы источники пи тания для разрядной ячейки и магнита в котором она помещается, для поддер жания разряда в ячейке должно поддер живаться вполне определенное давлени паров радиоактивного материала. Более простыми по констрзгкции и э фективности ионизации щаров радиоактивного материала являются ионные ис точники, в которых используется явле ние поверхностной ионизации атомов щ лочньпс металлов на поверхности вольф рама . Наиболее близким техническим реше нием является устройство для облучения радиоактивными ионами, содержаще 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 облучаемьш 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, вьшолненного в виде пластины с отверстием, расположенным на одной оси с вольфрамовьм 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, вьшолненным 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 повьш1ению степени ионизации паров металла для ряда элементов (например лития, натрия и др.). Известное устройство имеет ряд недостатков. Один из них - это инерционность источника, поскольку при данной конструкции источника из-за медленности процессов нагревания и охлаждения нельзя мгновенно получить и вьвслючить пучок ионов на выходе из источника ионов. Этот недостаток приобретает особую остроту при использовании прототипа для получения пучка радиоактивных ионов и применения его для нанесения радиоактивных меток на серию изделий, располагаемых на системе подачи образцов в вакуумной камере установки. При данной конструкции ионного источника пучок ионов будет шэстзшать из источника и в моменты смены обрабатьшаемых деталей что приводит к непроизводительному расходу радиоактивного вещества и радиационному загрязнению деталей установки . Кроме того, из-за неполйой ионизации паров металла (в прототипе эффективность ионизации ионов Li изменяют от 40% в отсутствие окисления до 70% при непрерьшном окислении поверхности ионизатора) за счет разности парциальных давлений в источн|ике и 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. Целью настоящего изобретения является повьппение эффективности и снижение радиационного загрязнения устррйства для облучения радиоактивными ионами, а также повышение монохроматичности пучка ионов. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для облучения радиоактивньми 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, дополнительно вве ден датчик, фиксирующий наличие облучаемого образца, а ускоряющий электрод выполнен в виде цилиндра с двоиными боковыми стенками, между которыми размещена обмотка охлаждения, и одним дном, в котором имеется отвёрст тие для вьдаода пучка радиоактивных Ионов, причем датчик соединен через усилитель - формирователь с коммут1атором налрАжения на выталкивающем электроде, а к одному из входов коммутатора подключен источник запирающего напряжения. Кроме того, ускоряющий электрод покрыт слоем изолято а 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 ионизатора 3, теплового экрана А, 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 состоянии 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 иойизатора 16 с помопью 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 электрода 12 расположена охлаждающая обмотка 13,а сам ускоряющий электрод 12 отда лен от вытяЕгивающего 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 11 соединен с вытягивающим электродом 14. Устройство работает следующим образом. Жидкий металл, содержащий радио активный изотоп или раствор радиоакг , тивного вещества, за счет капиллярных сил подается в область питающей трубки 17, нагреваемой нагревателем испарителя 2. Металл или (раствор) испаряется и его пары за счет разности парциальных давлений подаются на вольфрамовый ионизатор 16, выполненный из пористого вольфрама и нагреваемый нагревателем ионизатора 3. Пары металла взаимодействуют с поверхностью вольфрама за счет разности работы выхода валентных электронов щелочных металлов и вольфрама, ионизируются и вытягиваются в ускоряющий промежуток путем подачи отрицательного напряжения на вытягивающий электрод 14. 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 электрода расположена охлаждающая обмотка

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

Нагретая нейтральная компонента радиоак ивного газа при выходе из вольфрамового ионизатора попадает в объем, ограниченный дном ускоряющего электрода 12 и его боковыми стенками, йокрытыми 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 вакуумной камеры установки попадает лишь незначительная часть, величина которой определяется размерами диафрагмы в ускоряющем электроде 12 и вгличиной зазора между слоем изолятора 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. усилитель-формирователь 10, который вырабатьшает 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 за 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 иондыми 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 характерным преимуществом 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 помощью регулировки теьшературы испарителя ./

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