Способ получения пористых микрофильтров и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК B01D39/14 

7 L

1141

2. Устройство для получения пористых микрофильтров включающее коллиматор , выполненный в виде тонких пластин из легких металлов с отверстиями и диэлектрическую пленку, помещенные в держателе перпендикулярно облучающему пучку, отличающееся тем, что, с целью упрощения и удешевления процесса, оно содержит тормозную мишень электронного ускорителя и металлическую подложку, выполненную в виде пластины, покрытой с обеих сторон сдоем урана или тория природного изотопного состава, размещенные так, что составляют пакет с последовательно чередующимися слоями, каждый из которых, состоит из помещенной в центре подложки, вплотную примыкающими к ней с обеих сторон пластинами коллиматора и диэлектрической пленки, размещенный за тормозной мишенью электронного ускорителя.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что плотность покрытия урана или тория природного изотопного состава на подложке составляет 0,8-2 мг/см.

, 4. Устройство по п,2, о т л и чающееся тем, что количество чередующихся слоев подложки, коллиматора и диэлектрической пленки в устройстве составляет 500 - 600 штук.

1. Способ получения пористых микрофильтров, включающий облучение плёнки из диэлектрического материала коллимированным пучком продуктов деления актиноидов с последующим ее химическим травлением, отличающийся тем, что, с целью упрощения и удешевления процесса, облучение пленки ведут коллимированным пучком продуктов деления, возникающим в результате воздействия на уран или торий природного изотопноi . го состава тормозным излучением электронов с энергией 15-50 мэВ. (Л 2 7 L J L. Рд IsD -S

Изобретение относится к атомной технике, конкретно к области производства ядерных микрофильтров, применяемых в процессах фильтрации, сепарации и концентрирования микрообъектов в газовой и жидкой средах, Известен способ изготовления пористых микрофильтров, заключающийся в бомбардировке диэлектрической пленки высокоэнергетичными тяжелыми ионами, например Хе , с последую щей ее физико-химической обработкой, . Данный способ высокопроизводителен, позволяет получать фильтры высокого качества, но обладает тем недостатком, что для получения высокоэнергетичных и интенсивных потоков тяжелых ионов в нем применяют дорогостоящие уникальнь1е ускорители - циклотроны, разработанные для фундаментальных научных исследований в области ядерной физики. Их использование для широкомасштабного производства ядерных фильтров в народном хозяйстве являет ся сложным и неэффективным. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому является способ получения пористых микрофильтров, включающий облучение пленки из -диэлектри ческого материала коллимированным пучком продуктов деления актиноидов с последующим ее химическим травлением. Наиболее близким к описываемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для изготовления пористых микрофильтров , включающее коллиматор, выполненный в виде тонких пластин из легких металлов с отверстиями, и ди- электрическую пленку, помещенные в держателе перпендикулярно облучакицему пучку, По данному способу материал фильтра (пленки из полиэтилена, полипропилена и т.п.) облучают коллимированным пучком осколков деления изотопа урана - 235 или плутония - 239, вызываемых интенсивным потоком тепловых нейтронов ядерного реактора. Для его реализации требуется наличие ядерного реактора как облучательного устройства и и или Ри в качестве делящегося вещества. Недостатком данного способа является то, что вследствие ограниченности и дорогостоемости как самого ядерного реактора, так и делящихся веществ (обогащенного урана или плутония) , он является достаточно сложным, а микрофшьтры, полученные по нему, стоят 33 доллара за сотню. Кроме того, данный способ ввиду специфических требований к эксплуатации

реакторов на тепловых нейтронах (являющихся основой для производства делящихся материалов в военных целях имеет весьма ограниченное распространение и для многих стран, в частности развивающихся, малодоступен.

Недостатком данного устройства является то, что оно является сложньм дорогостоящим и на его использование накладываются жесткие ограничения в связи с возможностью использования делящихся материалов в военных целях Кроме того, сама конструкция устройства не позволяет получать одновременно большое количество микрофильтров с одинаковыми свойствами.

Цель изобретения - упрощение и удешевление процесса получения пористых микрофильтров, их получения и снижение стоимости,

Поставленная цель достигается описываемым способом получения пористых микрофильтров, включающим облучение пленки из диэлектрического материала коллимированным пучком продуктов деления актиноидов, возникающим в результате воздействия на уран или торий природного изотопного состава тормозного излучения электронов с энергией 15-50 МэВ, и последующее ее химическое травление.

Поставленная цель достигается также описываемым устройством для получения пористых микрофильтров, включающим коллиматор, выполненный в виде тонких пластин из легких металлов с отверстиями, диэлектрическую пленку, тормозную мишень электронного ускорителя и металлическую подложку, выполненную в виде пластины, покрытой с обеих сторон слоем урана или тория природного изотоп- ;ного состава толпщной 0,8 2,0 мг/см , размещенные так, что составляют пакет с последовательно чере дующимися слоями в количестве 500 600 штук, каждый из которых состоит из помещенной в центре подложки, вплотную примыкающими к ней с обеих сторон пластинами коллиматора и диэлектрической пленки, помещенный в держатели перпендикулярно облучающему пучку и установленный за тормозной мишенью электронного ускорителя.

Отличительным признаком способа является облучение ппенки из диэлектрического материала коллимированньм пучком продуктов деления актиноидов.

возникающим в результате 1 оздействия на уран или торий природного изотопного состава тормозного излучения электронов с энергией 15-50 МэВ,

Отличительным признаком описываемого устройства является то, что оно дополнительно содержит тормозную мишень электронного ускорителя и металлическую подложку, выполненную в виде пластин с нанесенным на нее с обеих сторон слоем урана или тория природного изотопного состава, размещенные так, что составляют пакет с последовательно чередующимися слоями, каждый из которых состоит из помещенной в центре подложки, вплотную примыкающими к ней с обеих сторон пластинами коллиматора и диэлектрической пленки, установленной за тормозной мишенью электронного ускорителя,

Другие отличия устройства заключаются в том, что плотность покрытия урана или тория природного изотопного состава на подложке составляет 0,8-2 мг/см , а количество чередующихся слоев подложки, коллиматора и диэлектрической пленки в устройстве составляет 500-600 штук.

Предложенный способ реализуется с помощью устройства, принципиальная схема которого приведена на чертеже, где:

1- мишень электронного ускорителя ;

2 держатель;

3- коллиматор;

4- подложка;

5- уран или торий естественного

изотопного состава;

6- лавсановая пленка. Устройство ставится за тормозной

мишенью электронного ускорителя на расстоянии 30 - 40 мм от него в потоке тормозного излучения и представляет собой многослойную композицию,состоящую из нескольких сотен повторяющихся элементов. Каждый элемент состоит из пластинки - подложки с нанесенными по обе ее стороны тонкими (0,8 - 2 мг/см ; слоями урана (тория) естественного . изотопного состава, к которым вплотную примыкают маски коллиматоры. Последние представляют собой пластинки с отверстиями, изготовленные из легких металлов (для уменьшения поглощения тормозного излучения в коллиматорах), Оптимальные диаметры отверстий коллиматоров,угол 51 коллимации, а следовательно, и коэффициент коллимации, выбранные из условия полного прохождения осколков деления через пленку заданной толщины, приведены в таблице. Между пластинками коллиматора помещают пленку, служащую в качестве материала фильтра. Количество пластинок со слоями урана выбирают таким образо, чтобы общая толщина устройства не превышала 13-20 см, что практически составляет величину 500-600 штук. При воздействии тормозного излуче ния злектронов с знергией 15 50 МзВ в результате реакции фотоделе ния в уране (тории) возникают осколки деления, которые, пролетая через отверстия в коллиматорах, попадают на пленку и создают скрытые деструкции. Таким .образом в этой конструкции каждая пленка облучается осколками сразу с двух сторон. Перемещая устройство в перпендикулярном пучку направлении, сканируют всю желаемую площадь фильтра. Вьш1еприведенные условия проведения способа и параметры устройства для его осуществления являются оптимальными. Энергия тормозного излучения электронов 15-50 МэВ выбирается, исходяиз кривой зависимости числа делений в единицу времени,которая достигает насьш;ения при 15 17 МэВ для актиноидов, а верхняя гра ница 50 МэВ определяется верхней границей электронных ускорителей на низкие энергии. С повьппением энергии вьше этой границы растет стоимость ускорителя, в то время как скорость деления, обусловленная физической природой явления, не увеличивается. Оптимальная плотность, толщина покрытия урана и тория на подложке , определяются, исходя из следующих факторов. Пробеги осколков в уране и тории при фотоделении тормозным излучением с граничной энергией 15 - 17 МэВ равны в среднем 8-10 мг/см . Чтобы осколки не теряли свою энергию за сче самопоглощения (вследствие чего будут застревать в пленке фильтра, создавая таким образом вредную радиоактивность), нужно применять сло урана и тория, не превышакицие по толщине пробег. Для полной гарантии отсутствия радиоактивности на плен9верхняя граница толщины составляке2 мг/см (четырехкратный запас). ет С другрй .стороны, слишком тонкие слои содержат недостаточное число ядер, чтобы иметь скорость деления, обеспечивающую высокую производительность способа. Подсчет зкономической эффективности показывает, что в случае использования ускорителя типа МГ-22 при толщине урана или тория 0,2 мг/см стоимость фильтров, производимых по предлагаемому способу, сравнима с полученными по способу-прототипу, а при толщине 0,8 мг/см в 4 раза ниже. Поскольку стоимость ускорителей на низкие энергии одного и того же порядка, то можно считать, что интервал 0,8-2 мг/см является оптимальным интервалом толщины слоя урана или тория природного изотопного состава. Расстояние между тормозной мишенью и первым слоем диэлектрической пленки, равное 30 - 40 мм, определяется конструкцией самого узла тормозной мишени электронных ускорителей типа МТ, ЛУЭ, БС. Количество слоев в фильтр-прессевыбирают по возможности большое для повьшения производительности установки. Ограничительными факторами являются ослабление излучения с расстоянием (расходимость пучка) и пробег У - квантов в уране (тории). Расчет показывает, что при толщине 2 мг/см количество слоев может быть велико (10000) и при этом общая толщина урана все еще ниже пробега тормозного излучения с граничными энергиями 15 и 50 МэВ. Однако расходимость пучка такова, что толщина фильтр-пресса не должна превьшать 13 - 20 см, чтобы получить фильтры с достаточно большой плотностью пор 10 - 10 пор/см , что соответствует 500 - 600 слоям в фильтр-прессе. Эта толщина фильтр-пресса определяется общей толщиной не урановых слоер, а главным образом коллиматоров. Эффективность описываемого способа иллюстрируется следующими примерами, а параметры коллиматоров таблицей, Пример. Параметры устройства, Ь&1шень - уран естественного изотопного состава толщиной 0,8 мг/см, нанесенный на рбе стороны подложю 7 представляющей собой апюминиевьй диск 50 X 0,05 мм. Количество мише ней 600 штук. Коллиматор - алюмиш е вый диск X 0,1 мм, в котором сделаны отверстия диаметром 0,05 мм Прозрачность коллиматора 64%, Количество коллиматоров 1200 штук. Мате риал фильтра - лавсановая пленка толщиной 0,01 мм в количестве 600 штук. Общая длина фильтр-пресса 19 см. Продолжительность облучения 30 мин. Облучатель - микротрон МТ-2 с энергией 21 МэВ и током 12 мкА. Облученные фильтры ставятся на облучение ультрафиолетовым светом на 1 ч, после чего травятся 20%-ным водным раствором NaOH или КОН при температуре 70°С в течение 1 ч.После травления пленки промываются водой. Производительность 1200 пленок диаметром 050 мм в ч. Плотность пор от 3-10 пор/см 2. П р и м е р 2. Параметры устройства такие же, как в примере 1, за исключением толщины мишени с нанесенным на нее слоем тория природного изотопного состава 2 мг/см , количества мишеней 500 штук, коллиматоров 1000 штук, лавсановых пленок 500 штук. Общая длина фильтр-пресса 13 см. Облучательная установка ЛУЭ-15А время облучения 5 мин. Режимы травления те же, что и в примере 1. Производительность 7000 фильтров диаметром 050 мм в час. Плотность пор от 3-10 до .3 10 -пор/см

Параметры коллиматоров

0,50 0,25 0,16 0,12 0,09 0,07 298 Предлагаемый способ получения ядерньгх микрофильтров обеспечивает следующие преимущества по сравнению со способом - прототипом, одновременно являющимся и базовым объектом: возможность обходиться более дешевыми и доступными средствами для изготовления ядерных микрофильтров (ураном и торием естественного изотопного состава), а также широко распространенными ускорителями электронов низких энергий; простота конструкции установки для.облучения фильтров, простота в обслуживании ускорителей упомянутого выше класса, радиационная гигиеничность, условия работы дают возможность широкому кругу заинтересованных организаций производить ядерные микрофильтры. Технико-экономическая эффективность описываемого способа заключается в значительном снижении стоимости микрофильтров. Ориентировочный расчет показьшает, что при использовании электронного ускорителя типа микротрона fГ-22 цена 100 штук фильтров с диаметром 50 мм и приведённой выше .плотностью пор 2-5 рублей. Сотня аналогичных фильтров фирмы Nuclear Corporation, полученных по базовому способу 27 стоят 53 доллара (м39 рублей). Таким образом, использование описываемого способа для производства ядерных микрофипьтров в 8-18 раз снижает их стоимость.

4,7

0,05 0,04

3,3 2 0,02

0,20

0,51 0,38 0,15 0,24 0,10