Источник радиоактивных ионов Советский патент 1988 года по МПК G21H5/00 H01J27/02 

со

4

00

Изобретение относится к ядерной технике, к разделу использования излучений для решения прикладных задач, 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.

Способ внедрения ускоренных радиоактивных ионов в поверхность образцов и изделий применяют для изготовления радиоактивных индикаторов, а также ис пользуют при изздсении скорости износа узлов и деталей машин и механизмов в процессе эксплуатации. Доступность способа, его технологичность в большой степени зависит от типа устройства, в котором получают радиоактивные ионы, его простоты, надежности и ра- диационной безопасности. Одним из наиболее важных элементов таких устройств является источник радиоактивных ионов - элемент устройства, в котором различными способами из жидких, газообразных и твердых веществ получают ионы радиоактивных элементов.

Известен, например ионный источник

в котором для получения ионов ИСПОЛЬ

зуется явление ионизации атомов щелочных металлов на поверхности вольфрама. Он содержит резервуар со щелочным металлом, нагреватель ионизатора, тепловой экран, трубку для подачи кислорода на ионизатор (что повышает степень ионизации атомов), вытягивающий электрод, замедляющий электрод, пористый вольфрамовый ионизатор, питаютую трубку для подачи паров металла из испарителя на ионизатор, пучок проволок для подачи расплавленного металла из. резервуара в испаритель. Одним из главных недостатков этого устройства является его инерционность, так каквремена включения пучка радиоактивных ионов и прерывания пучка опре деляются временем нагревания и остывания испарителя и ионизатора.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее радиоактивное вещество, фланец, тепловой экран, ионизатор из пористого вольфрама с нагревателем, источник питания нагревателя, ускоряющий электрод и источник высокого напряжения, подключенный к ycfcoряющему электроду.

В прототипе перед облучением образца радиоактивное вещество (например раствор соли CsCl, содержащий радиоактивные атомы цезия) наносится на пористый вольфрам (вольфрамовую губку) , который методом спекания нанесен на вольфрамовую ленту, концы которой подключены к источнику питания..При пропускании тока через вольфрамовую ленту последняя нагревается, что в свою очередь приводит к нагреву пористого вольфрама-ионизатора. При нагреве водьфрамйвой губки радиоактив- ное вещество испаряется, при этом щелочной металл (в прототипе цезий) за счет разности работы выхода электронов из его атомов и атомов вольфрама испаряется в виде положительных ионов , которые затем ускоряются в электрическом поле и внедряются в поверхность облучаемого образца.

Недостатком известного технического решения является то, что в нем температура ионизатора и температура радиоактивного вещества одинаковы. Поэтому в случае необходимости уменьшения интенсивности пучка радиоактивных ионов за счет снижения скорости испарения рабочего вещества уменьшают температуру ионизатора, что в свою очередь приводит к уменьшению степени ионизации. Так, например, в случае получейкя ионов цезия при низких температурах цезий накапливается на поверхности вольфрама, уменьшает его работу выхода и понижает вероятность ионизации атомов цезия и выхода их в виде ионов. При высоких температурах происходит слишком быстрое испарение рабочего вещества, поэтому для ионов цезия оптимальной температурой нагрева вольфрамового ионизатора является температура порядка 900-1000 °С. Однако даже при этих температурах скорость испарения некоторых веществ, включающих радиоактивный цези, является довольновысокой. Например соединение CsCl, имеющее температуру плавления около , при температуре порядка имеет величину давления насыщенных паров около 23 мм рт.ст., что приводит к его интенсивному испарени1д в этом диапазоне температур, при этом скорость испарения, а значит, и интенсивность пучка радцоактивных ионов являются практически нерегулируемыми величинами. Поэтому количество радиоактивных атомов, внедренньпс в поверхность облучаемого образца, определяется лишь количеством радиоактивного вещества, нанесенного на ионизатор из пористого вольфрама. Как указано в описании прототипа, высокая скорость испарения определяет продолжительность имплантации, равной 5-10 с - при дозе внедренных ионов около 10 ионов/см, однако такая высокая скорость процесса имплантации (высокая интенсивность пучка радиоа ктивных ионов) делает невозможной проведение имплантации нескольких образцов малыми дозами ионов,.приводит к увеличению длительности процесса облучения серии образцов, увеличению трудоемкости работ и ухудшению условий радиационной безопасности.

Цель изобретения - обеспечение плавной регулировки интенсивности пучка радиоактивных ионов.

Поставленная цель достигается тем что источник радиоактивных ионов со держит радиоактивное вещество, фланец, тепловой экран, ионизатор из пористого вольфрама с нагревателем, источник питания нагревателя, ускоряющий электрод и источник высокого напряжения, подключенный к ускоряющему электроду, причем в тепловом экране и ускоряющем электроде выполнены отверстия для выхода пучка ионов, а ускоряющий электрод расположен снаружи теплового экрана, трубку, на торце которой герметично расположен ионизатор с нагревателем, капсулу с радиоактивным веществом, открытую в сторону ионизатора, устройство перемещения капсулы, смонтированное на фланце и герметично соединенное с трубкой, причем капсула находится в тепловом контакте с внутренней поверхностью трубки.

На фиг.1 представлена схема устро-ройства; на фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1.

Устройство соде.ржит тепловой экран 1, дополнительный тепловой экран 2, пластины 3 из тугоплавкого материала, ионизатор 4j кольцо 5 из изолятора, электроды 6, трубку 7 из нержавеющей стали, радиоактивное вещество 8, капсулу 9, шток 10, фланец 11 для крепления источника, устройство перемещения 12 капсулы - вакуумноплотные изоляторы 13, источник питания 14, ускоряющий электрод 15, источник высокого напряжения 16.

В тепловом экране 1 на конце трубки 7, изготввленнойиз нержавеющей стали, внутри трубки 7 герметично размещен ионизатор 4 - таблетка, выполненная из пористого вольфрама. С внешней стороны на конце трубки Трасположено кольцо 5, выполненное из изолятора - керамики с хорошей теплопроводностью, которое окружено двумя пластинами 3, изготовленными из туго- . плавкого материала (например тантала, вольфрама), соединенными параллельно которые подключены к источнику 14 через электроды 6. С конца трубки 7, противоположного ионизатору 4, в полость трубки 7 через устройство перемещения 12 на штоке 10, изготовленном из нержавеющей стали, герметично введена капсула 9j выполнен ная в виде цилиндра с одним дном и расположенная открытым концом к ионизатору 4, с радиоактивным рабочим веществом 8. Устройство смонтировано на фланце 11, в котором через вакуумоплотные изоляторы 13 выведены электроды 6. Пластины 3 нагревателя ркружены дополнительным тепловьо4 экраном 2, а перёд тепловым экраном 1 размещен ускоряющий электрод 15.

Устройство работает следующим образом.

В капсулу 9 вводится радиоактивное вещество, из которого получают радиоактивиые ионы, и она посредством штог ка 10 вводится внутрь трубки 7, при этом шток 10 укрепляют в устройств.е перемещения 12 капсулы, которое позволяет также герметизировать объем ионного источника.В начальный момент времени капсула 9устанавливается на конце трубки 7, противоположном ионизатору 4. При подаче напряжения на электроды 6 от источника питания 14 электрический ток нагревает пластины 3, которы1В в свою очередь через изолятор и стенку трубки 7 нагревают вольфрамовый ионизатор 4. Увеличением иапряжения На электродах 6 повышают температуру ионизатора до требуемой величины (обычно 900-1000С). При : том вдоль трубки 7 устанавливается граиёит темпер атур от величины температуры онизатора до температуры флаица 11, который соединен с корпусом установки ля имплантации и поэтому его темпе-i ратура остается достаточно НИЭ1СОЙ.

Дпя обеспечеиия тепловой развязки ежду концом трубки 7, где укреплен 5.10 ионизатор, и корпусом установки для имплантации, к которому крепится флаг нец 11, элементы устройства - тепловой экран 1, трубки 7, шток 10, электроды 6 выполнены из нержавеющей стали, обладающей низкой теплопроводног стью (например стали типа Х18Н9Т.или стали Х18Н10Т). Для увеличения коэффициента полезного действия нагревателя и устранения излишнего перегрева теплового экрана 1 пластины 3 нагревателя окружены дополнительным экраном 2, Количество испаренного радиоактивного вещества в капсуле 9 зависит от температуры, при которой она находися. Для обеспечения хорошего тепловог го контакта между капсулой 9 и трубкой 7, капсулу изготавливают так, чтобы ее стенки плотно примыкали к внутренней стенке трубки 7, поэтому температура, при которой находится капсула, равна температуре, соответствующей точке трубки 7, и при разных положениях капсулы скорость испарения радиоактивного вещества различна - она минимальна при максимальном удалении капсулы от ионизатора и возрастает при движении капсулы к ионизатору. В таблице приведены значения давления насыщенных паров для соединения CsCl при различных температурах. Из таблицы видно, что, измерив температурный градиент вдоль трубки 7 и помещая капсулу 9 с осажденным из радиоактивного раствора соединением CsCl на различных расстояниях от ионизатора, можно плавно изменять количество испаренных атомов, что в свою очередь приводит к плавному изменению интенсивности пучка .радноактивлых ио8нов, так как за счет разности парциальных давлений в трубке 7 и вакуумной камере установки пары, образовавшиеся после испарения соединения СsCl, диффундируют через поры ионизатора, при этом атомы Cs ионизируются и на выходе из ионизатора попадают в ускоряющий промежуток, образованный между .ионизатором 4 и электродом 15, на котором подано ускорякнцее напряжение. Герметичное крепление ионизатора 4 на конце трубки 7 необходимо для того, чтобы в максимальной степени снизить выход нейтральных радиоактив атомов, которые могут попасть в вакуумный объем установки между ионизатором 4 и стенками трубки 7. Таким образом предлагаемое ус- тройство позволяет осуществлять плавную регулировку интенсивности пучка радиоактивных ионов, что дает возможность при одной загрузке радиоактивного вещества в капсулу осуществлять имплантацию радиоактивных ионов в серию образцов, наносить радиоактивные метки малой активности, а в случае применения данного источника для изучения процессов износа наносить радиоактивные метки в различные точки исследуемой поверхности без разгерметизации источника. Дополиительным преимуществом предлагаемого устройства является то, что радиоактивиое вещество, его пары локализованы только в объеме трубки, вдоль которой передвигается капсула и на конце которой помещен ионизатор, что уменьшает радиационное загрязнение установки и позволяет улучшить условия работы и источником с точки зрения радиационной безопасности.

ИСТОЧНИК РАДИОАКТИВНЫХ ИОHOBj содержащий радиоактивное вещество, фланец, тепловой экран, ионизатор из пористого вольфрама с нагревателем, истЪчник питания нагревателя, ускоряющий электрод и источник высо- кого напряжения, подключенный к ускоряющему электроду, причем в тепловом экране и ускоряющем электроде выполнены отверстия для выхода пучка ионов, а ускоряющий электрод расположен снаружи теплового экрана, отличающийся тем, что, с целью обеспечения плавной регулировки .интенсивности пучка радиоактивных ионов, источник снабжен трубкой, на торце которой герметично расположен ионизатор с нагревателем, капсулой с радиоактивным веществом, открытый в i сторону ионизатора, устройством пере(Л мещения капсулы, смонтированным на фланце и герметично соединенным с трубкой, причем капсула находится в тепловом контакте с внутренней поверхностью трубки.