УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ИОНОВ В ПУЧКАХ

Полезная модель относится к вакуумной технике, технике ускорителей и может быть использована в области исследования взаимодействия ионов с материалами (металлами и их сплавами), а так же в области исследования влияния ионно-индуцированных дефектов структуры на свойства материалов.
Уровень техники
Устройства для облучения образцов материалов заряженными частицами широко известны. Они, как правило, выполнены в различных конструктивных решениях и имеют однотипные по назначению элементы: ускоряющую структуру, пучок ускоренных частиц которого проходит через диафрагму и попадает на образец материала, соединенного с различного рода измерительной аппаратурой (см., например, авторское свидетельство №1492321).
Известно устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники Патент на изобретение РФ 2277934, содержащее источник ионов, масс-сепаратор, формирователь пучка ионов и вакуумную камеру, в стенке которой выполнено отверстие для входа пучка ионов, а с противоположной стороны расположен приемник-регистратор ионов, при этом в торцевой части камеры установлен с возможностью вращения диск с расположенными по периферии диска держателями для обрабатываемых изделий, причем каждый держатель представляет собой стержень, установленный перпендикулярно поверхности диска с возможностью вращения вокруг собственной оси, а в верхней части стержня смонтированы опоры для обрабатываемых изделий. Приемник-регистратор ионов выполнен в виде полого графитового цилиндра, один из торцов которого открыт и обращен в сторону отверстия для входа пучка ионов, а второй торец имеет коническую форму и снабжен водоохлаждаемым основанием.
Недостатком приемника-регистратора данного устройства можно отметить измерение только полного тока ионов, при отсутствии измерения плотности их пространственного распределения.
В способе обработки циркониевых сплавов Патент на изобретение РФ №2199607, заключающийся в том, что изделие из циркониевого сплава подвергают термомеханической обработке, формируют любым способом на поверхности изделия оксидную пленку этого же сплава, отличающийся тем, что в оксидную пленку путем ионного внедрения вводят ионы одного из элементов пятой группы или выше, причем указанное внедрение осуществляют при энергии, обеспечивающей длину пробега пучка ионов предпочтительно не более толщины оксидной пленки, контроль параметров пучка ионов осуществляется системой магнитов. Суть сканирующей магнитной системы не раскрывается. Ток ионов частично меряется с помощью цилиндра Фарадея.
Известно устройство для имплантации ионов Патент на изобретение РФ №2118012, содержащее вакуумную камеру с установленным в ней источником ионов Пенинга с системой питания анода и мишени, систему формирования и извлечения пучка ионов, высоковольтный управляющий выпрямитель, высоковольтный электрод, являющийся держателем образцов.
Недостатком устройства можно отметить отсутствие системы измерения параметров пучка. Измеряется только интегральный поток ионов на образец.
Известно устройство для облучения электронами рулонированных материалов (текстильных полотен, полимерных пленок) авторское свидетельство СССР №812151. Данное устройство содержит ускоритель электронов, радиационную защиту и транспортную систему для подачи материала в зону облучения и вывода из нее. Для уменьшения габаритов и повышения качества облучаемого материала транспортная система выполнена в виде вращающегося барабана, установленного на подшипниковых опорах в кольцевой цилиндрической полости, образованной блоками радиационной защиты, коаксиально с этой полостью. На обечайке барабана имеются отверстия, конфигурация которых соответствует заданной форме локального облучения, а источник облучения расположен в барабане.
Данное устройство адаптировано только для облучения предметов, имеющих плоскую форму, обладающих достаточной гибкостью, и не может быть использовано для облучения образцов небольших размеров.
Известно устройство для облучения ускоренными электронами авторское свидетельство СССР №1828380, содержащее ускоритель электронов, из которого ускоренный пучок электронов по вакуумному электронопроводу попадает на вход импульсного электромагнита, к обмотке которого подключен генератор биполярных импульсов тока и генератор тока развертки, и, далее, в вакуумную камеру с окнами, на которых размещены электромагниты. Поле этих магнитов обеспечивает вход электронов в облучаемый объект под углом, близким к 90°.
Недостатком данного устройства является то, что электронно-оптические свойства магнитного поля зависят от величины зазора между полюсами электромагнитов и ширины выпускного окна, что затрудняет получение достаточно однородного поля облучения.
Вышеописанные устройства разработаны под конкретный источник электронов/ионов, который является одной из составных частей устройства и взаимосвязан с его другими узлами, и не подлежит замене в случае выхода из строя. Наиболее близкого по технической сущности аналога к заявляемой полезной модели не выявлено.
Раскрытие полезной модели
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является задача разработки автономного, универсального устройства, позволяющего определять пространственное распределение плотности заряженных частиц при облучении образцов потоком ионов.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в том, что устройство, позволяет определять профиль распределения плотности ионов при облучении образцов материалов (металлов и их сплавов) потоком заряженных частиц от внешнего источника (ускорителя ионов).
Технический результат заявляемой полезной модели достигается тем, что предложено устройство для определения профиля распределения плотности ионов, содержащее опорный фланец в виде пластины, на котором перпендикулярно его плоскости закреплены несущие шпильки, на которых последовательно смонтированы направляющие электрода с электродом 4, с возможностью линейного движения электрода по направляющим, кольца изоляционные, супрессор, изолятор, держатель ламелей с ламелями, изолятор, прижимная пластина, защитный экран, при этом опорный фланец, электрод, супрессор, изоляторы, держатель ламелей, прижимная пластина, защитный экран содержат сквозное отверстие, а электрод, супрессор и ламели выполнены с возможностью подключения к электрическим контактам измерительной аппаратуры.
В предпочтительном варианте:
- опорный фланец, шпильки, супрессор, прижимная пластина, защитный экран выполнены из коррозионностойкой стали;
- направляющие электрода, изоляционные кольца, изоляторы, держатель ламелей выполнены из фторопласта;
- электрод и ламели выполнены из меди.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что: предложенное устройство, установленное на пути следования потока линейно движущихся ионов, выделяет пучок и позволяет измерить пространственное распределение заряженных частиц в нем. При этом данное устройство сохраняет положительные признаки наиболее близких к нему технических решений, в частности, позволяет измерять полный интегральный поток заряженных частиц, проходящий через него.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется фигурами.
На фиг. 1 схематично представлено устройство для определения профиля распределения плотности ионов, где цифрами обозначены:
1 - опорный фланец;
2 - несущие шпильки;
3 - направляющие электрода;
4 - электрод;
5- супрессор;
6 - кольца изоляционные;
7 - изоляторы;
8 - держатель ламелей;
9 - прижимная пластина;
10 - защитный экран;
11 - ламели;
12 - средство крепления (Гайки)
На фиг. 2 схематично показана принципиальная схема ускорителя ионов, где цифрами обозначены:
13 - ускоряющая структура ускорителя;
14 - ионопровод;
15 - камера взаимодействия;
16 - пучок ускоренных ионов;
17 - устройство для определения распределения плотности ионов;
18 - держатель образцов.
Осуществление полезной модели
Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения.
Устройство по фиг. 1 содержит опорный фланец 1, представленный в виде круглой пластины, изготовленной в соответствии с посадочным фланцем имеющегося ускорителя ионов, на который перпендикулярно его плоскости жестко закреплены четыре несущие шпильки 2, на которые посредством прорезанных в каждой из частей круглых отверстий смонтированы все прочие части устройства в следующей последовательности: направляющие электрода 3 с электродом 4, кольца изоляционные 6, супрессор 5, изолятор 7, держатели ламелей 8 с ламелями 11, изолятор 7, прижимная пластина 9, защитный экран 10.
Электрод 4 выполнен с возможностью линейного движения относительно направляющих электрода 3, так что в одном крайнем положении отверстие в конструкции устройства, предназначенное для пролета заряженных частиц полностью открыто, а в другом крайнем положении полностью закрыто. Для осуществления перемещения электрода 4 две его длинных стороны снабжены углублениями, длина которых больше длины направляющих электрода как минимум на величину сквозного отверстия и определяет величину максимального перемещения электрода. Обе направляющие электрода 3 представлены в виде непроводящего ток изделий сложной конфигурации с канавками по всей своей длине, посредством которых фиксируется и по которым двигается электрод 4.
Во всех осесимметричных элементах конструкции выполнено сквозное отверстие размером 34*34 мм., конфигурация которого соответствует заданной форме локального облучения, а расположенная на пути следования потока заряженных частиц система изолированных токопроводящих ламелей 11 позволяет измерять характеристики пучка с характерным размером до 50 мм.
По двум направляющим электрода 3 осуществляется линейное перемещение электрода 4 на расстояние до 40 мм. Супрессор 5 электрически изолирован от всех четырех несущих шпилек 2 с помощью четырех изоляционных колец 6. Пять вертикальных и пять горизонтальных ламелей 11 удерживаются силами трения между двумя изоляторами 7 и держателем ламелей 8, выполненными из электроизолирующих материалов. Жесткость сборки обеспечивается прижимной пластиной 9 и фиксацией средствами крепления, например гайками 12. Вся конструкция закрывается защитным экраном 10, формирующим измеряемый пучок заряженных частиц нужной конфигурации, отверстие которого соответствует заданной форме локального облучения, в частности, отверстие выполнено в виде квадрата размером 34*34 мм, в котором все углы скруглены четвертью окружности с радиусом 3 мм.
Габаритные размеры реально изготовленного образца устройства составляют ∅148*62 мм.
Опорный фланец 1, шпильки 2, супрессор 5, прижимная пластина 9, защитный экран 10, гайки 12 изготавливаются из коррозионностойкой стали и являются основными конструкционными частями устройства, определяя форму проходящего пучка ионов, и создают условия для определения потока ионов по измерению величины электрического тока проходящего в каждой электрической цепи «токопроводящих элементов конструкции -измерительной аппаратурой».
Направляющие электрода 4, четыре кольца изоляционных 6, два изолятора 7, держатель ламелей 8 выполнены из фторопласта и предназначены для электроизоляции всех токопроводящих элементов устройства друг от друга. Это позволяет точно и раздельно контролировать поток ионов, падающий на устройство и профиль их распределения.
Электрод 4 и ламели 11 выполнены из меди и предназначены для измерения токовых характеристик потока ионов.
Устройство для определения распределения профиля плотности ионов работает следующим образом.
Устройство в сборе фиг. 2 присоединяется к фланцу с держателем облучаемых образцов 18 любого линейного ускорителя ионов, таким образом, чтобы пучок заряженных частиц 16 располагался осесимметрично с устройством 17 и держателем образцов 18. Электрод 4, супрессор 5 и ламели 11 подключаются к электрическим контактам измерительной аппаратуры (на чертежах не показана) любым удобным способом, обеспечивающим надежный электрический контакт, и определяется конкретной конфигурацией ускорителя. Камера взаимодействия 15, ионопровод 14, ускоряющая структура ускорителя 13 откачиваются до давления необходимого для работы конкретной ускоряющей структуры 13.
Принципиальная схема ускорителя ионов представлена на фиг. 2. Пучок ионов 16 формируясь в ускоряющий структуре ускорителя 13 проходит через ионопровод 14, попадает в камеру взаимодействия 15, в которой, проходя через устройство для определения распределения плотности ионов 17, попадает на держатель для образцов 18.
Защитный экран 10 и прижимная пластина 9 формируют из падающего потока заряженных частиц пучок квадратного сечения размером 34*34 мм. Проходящие заряженные частицы на пути, которых находятся десять ламелей 11, тормозятся в них, передавая свой заряд, генерируют электрический ток в электрической цепи, состоящей из ламели, присоединительных электрических контактов и измерительной аппаратуры, который может быть измерен отдельно на каждой ламели, благодаря электроизолирующим изоляционным пластинам 7 и держателю ламелей 8. Из этих данных может быть математически рассчитан профиль распределения плотности частиц в пучке. При подаче на супрессор 5, электроизолированного от несущих шпилек 2 с помощью изоляционных колец 6, отрицательного потенциала происходит отражение вторичных электронов, в случае облучения образов положительными ионами, что необходимо для предотвращения погрешностей в определении потока заряженных частиц на облучаемые образцы и предотвращения их излишнего нагрева. Для измерения количества проходящих заряженных частиц используется электрод 4 в положении «закрыто» электроизолированный от конструкции с помощью направляющей электрода 3. В положении «открыто» электрода 4 ускоренные заряженные частицы проходят на держатель образцов.
В ходе проведения облучения все электрические сигналы измеряются дополнительно присоединенной к частям устройства измерительной аппаратурой (на фигурах не показана), которая может быть представлена в виде устройств позволяющих измерять силу тока в замкнутой электрической цепи. По измеренным значениям электрических сигналов в каждой электрической цепи возможно определение профиля распределения плотности пучка ионов и его положения в пространстве.
2+
В ходе практического применения устройства были измерены характеристики пучка ионов железа Fe с энергией 5,6 МэВ. Получено распределение плотности ионов в пучке совпадающее с теоретически рассчитанным распределением. Перепад плотности в пределах измеряемой площади пучка составил не более 15%.
Таким образом, устройство для определения распределения плотности заряженных частиц позволяет повысить точность попадания потока ионов на исследуемый образец и контролировать количественные значения потока электронов.
Преимуществом устройства является его автономность и универсальность, т.е. возможность присоединения к любому источнику ионов с помощью фланцевого соединения с возможной доработкой принципиально не меняющей конструкцию устройства. Геометрические параметры устройства позволяют измерять характеристики пучка диаметром до 50 мм.