Способ определения энергии потоков альфа-частиц и протонов, поглощенной металлическими материалами

(51) 01 1/16 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ проведении ядерно-физических исследований и может быть использовано в радиационном материаловедении. Способ определения энергии потоков альфачастиц и протонов, поглощенной металлическими материалами, включает определение энергии потока частиц по тарировочному графику зависимости полного пробега заряженных частиц в металлическом материале от энергии потока частиц,причем величину полного пробега измеряют экспериментально на самом металлическом образце после облучения, при этом расположенную параллельно направлению движения альфа-частиц и протонов поверхность образца шлифуют, полируют,производят отжиг или химическое травление,выявляющее зону торможения частиц (стрэгглинга),а величину полного пробега замеряют с помощью оптического микроскопа. Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения энергии потоков альфа-частиц и протонов, поглощенной металлическим материалом. Погрешность определения энергии потоков частиц не превышает 0,01.(72) Максимкин Олег Прокофьевич Турубарова Людмила Григорьевна Яровчук Алевтина Васильевна(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт ядерной физики Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения Национальный ядерный центр Республики Казахстан Министерства энергетики и минеральных ресурсов Республики Казахстан(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПОТОКОВ АЛЬФА-ЧАСТИЦ И ПРОТОНОВ,ПОГЛОЩЕННОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ(57) Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике, а именно к способам определения энергии потоков частиц, поглощенной образцом при 16347 Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике, а именно к способам определения энергии потоков частиц, поглощенной образцом при проведении ядерно-физических исследований, и может быть использовано в радиационном материаловедении. Известен способ определения энергии потока заряженных частиц с помощью цилиндра Фарадея,при котором цилиндр Фарадея помещается между источником излучения и образцом и на основе данных о количестве бомбардирующих мишень частиц за фиксированный промежуток времени оценивается энергия потока частиц,воздействующая на образец. Погрешность определения энергии потока частиц составляет 20(Вальтер А.К. Электростатические ускорители заряженных частиц. Госатомиздат, 1963, с. 81). Недостатками способа являются низкая точность определения энергии потока частиц из-за утечки первичного заряда,потери,обусловленные отражением потока частиц от поверхности цилиндра и облучаемого образца, необходимость перекрытия потока частиц на некоторый промежуток времени с целью определения плотности потока частиц,вылетающих из источника в единицу времени, и в связи с этим более длительная и дорогостоящая эксплуатация циклотрона, невозможность оценки энергии потока заряженных частиц, поглощенной образцом, после облучения. Известен способ определения энергии потока заряженных частиц с помощью электрического или магнитного анализатора, по которому на пучок заряженных частиц воздействуют электрическим или магнитным полем и определяют изменения электрических или магнитных характеристик,которые происходят под воздействием частиц, на основе которых рассчитывают энергию потока частиц (Москалев В.А., Шестаков В.Г. Контроль и измерение параметров пучков заряженных частиц. М., Атомиздат, 1973, с.27-34). Недостатками способа являются необходимость сложного специального оборудования, косвенный характер определения энергии потока заряженных частиц по изменению магнитных и электрических параметров полей, искажения, вносимые магнитным и электрическим полями в траектории движения частиц и энергию потока, невозможность проведения оценки поглощенной образцом энергии после облучения. Известен способ определения энергии потока заряженных частиц после воздействия облучения на образец методом авторадиографии, при котором в образец вводятся изотопы атомов, которые в результате ядерных реакций, инициированных облучающими частицами, образуют нуклиды с известными функциями возбуждения. По сравнительному анализу интенсивности излучения нуклидов рассчитывают энергию потока частиц(А.с. СССР 1137901, кл.01 Т 1/16, 1985). Недостатком способа является необходимость введения в исследуемый материал изотопов, что не только удорожает метод определения энергии потока заряженных частиц, но и повышает дозу 2 радиационного облучения экспериментатора при введении изотопов. Наиболее близким по назначению и технической сущности к предложенному является способ определения энергии потока заряженных частиц,поглощенных поликристаллическим материалом, по тарировочному графику,устанавливающему зависимость полного пробега частиц в металлическом материале от энергии частиц, для чего на пути движущихся частиц моноэнергетического потока устанавливается поглотитель, состоящий из трех вращающихся дисков с отверстиями, в которые помещаются алюминиевые фольги калиброванной толщины,получают графические кривые интенсивности поглощения потока частиц в зависимости от толщины поглотителя, затем на них методом экстраполяции до оси абсцисс находят величину полного пробега частиц в материале, и по тарировочному графику определяют искомую величину энергии потока частиц, поглощенную образцом. Погрешность определения энергии потока частиц составляет 1 (Иванов Г.Н.,Круглов В.Г. Сыркин Б.В. Техника ядернофизического эксперимента на полутораметровом изохронном циклотроне. Препринт 7-85, АлмаАта, 1985, с.29-33). Недостатком способа является недостаточная точность определения энергии потока частиц,обусловленная использованием приближенного графического метода определения полного пробега частиц экстраполяцией кривой поглощения моноэнергетического потока частиц металлическими материалами. Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности определения энергии потоков альфа-частиц и протонов, поглощенной металлическим материалом. Указанный технический результат в способе определения энергии потоков альфа-частиц и протонов,поглощенной металлическими материалами, включающем определение энергии потока частиц по тарировочному графику зависимости полного пробега заряженных частиц в металлическом материале от энергии потока частиц,достигается тем, что величину полного пробега измеряют экспериментально на самом металлическом образце после облучения, при этом расположенную параллельно направлению движения альфа-частиц и протонов поверхность образца шлифуют, полируют, производят отжиг или химическое травление,выявляющее зону торможения частиц (стрэгглинга), а величину полного пробега замеряют с помощью оптического микроскопа. Отличительным признаком предлагаемого способа является экспериментальное определение полного пробега потока частиц, в металлическом материале по глубине залегания зоны торможения частиц (стрэгглинга), что исключает неточности,обусловленные рассеиванием или отражением частиц от поверхности металлического образца. Поскольку образование зоны стрэгглинга в 16347 металлическом образце при облучении потоком заряженных частиц обусловлено разбросом величин пробегов частиц из-за случайных флуктуаций потерь энергии при столкновениях с атомами металлического образца, то с увеличением энергии потока облучающих частиц увеличиваются величина полного пробега частиц и глубина залегания зоны стрэгглинга. Это позволяет при измерении глубины залегания зоны стрэгглинга от поверхности металлического образца определить энергию потока частиц, поглощенную образцом. Использование оптических приборов с высокой разрешающей способностью и наличие четкой корреляционной зависимости между полным пробегом частиц в металлическом образце и энергией облучающих частиц повышают точность определения энергии потока частиц. Для осуществления способа поверхность облученного образца, расположенную параллельно направлению движения потока частиц, шлифуют,полируют, подвергают отжигу или химическому травлению для выявления зоны стрэгглинга, и с помощью оптических приборов (бинокулярного или оптического микроскопа) замеряют глубину залегания зоны стрэгглинга. Измерение расстояния от поверхности до середины зоны стрэгглинга производят при использовании оптической аппаратуры (микроскопа, бинокулярной лупы) с помощью объект-микрометра с ценой деления 0,01 мм, что повышает точность определения полного пробега частиц до 0,01. Первоначально измеряют расстояние от поверхности образца до верхней границы зоны стрэгглинга - Нмин. Затем измеряют расстояние от поверхности образца до нижней границы зоны стрэгглинга - Нмах. Находят среднюю величину Нср (НмахНмин)/2, которая является величиной полного пробега частиц,застрявших в металлическом образце. По тарировочной кривой находят энергию заряженных частиц, поглощенную металлическим образцом. На фиг.1 а приведена схема облучения образца потоком частиц, а на фиг.1 б дана схема расположения зоны стрэгглинга (торможения частиц) в металлическом образце и измерения полного пробега частиц Нср. На фиг.2 приведен тарировочный график зависимости полного пробега альфа-частиц (1) и протонов (2) в молибдене от энергии потоков частиц. На фиг.3 а, фиг.3 б приведены фотографии поверхности молибдена с выявленными зонами стрэгглинга, образованными альфа-частицами и протонами соответственно. Преимущество предлагаемого способа перед прототипом заключается в том, что полный пробег частиц в металлическом образце определяется экспериментально на самом образце по зоне стрэгглинга, которая становится видимой в результате операций шлифовки, полировки, отжига или химического травления поверхности образца после облучения. При механическом воздействии,заключающемся в шлифовке и полировке, благодаря изменению физических свойств зоны образца, где застряли частицы, формируется рельеф. Химические процессы, протекающие на границе зоны, содержащей частицы и не содержащей их,благодаря избирательным процессам окисления при отжиге или химическом травлении усиливают образовавшийся рельеф и обеспечивают высокую четкость изображения зоны стрэгглинга при наблюдении с помощью оптической аппаратуры. Использование увеличения оптического микроскопа позволяет провести измерение глубины залегания зоны стрэгглинга с точностью, определяемой разрешающей способностью микроскопа и ценой деления объект-микрометра, что составляет 0,01. Предлагаемый способ позволяет получить тарировочный график величины пробега от энергии заряженных частиц, используя один металлический образец, облучая его поочередно несколькими потоками с заданной величиной энергии. При этом процесс обработки образца позволяет выявить столько зон стрэгглинга, сколько потоков воздействовало на образец. Это значительно упрощает проведение эксперимента. Оценка энергии потока частиц на самом металлическом образце может быть проведена спустя любой промежуток времени. Таким образом, предлагаемый способ не только повышает точность определения поглощенной металлическим образцом энергии потока облучающих частиц, но и упрощает его осуществление. ПРИМЕР. Образец из молибдена облучают на циклотроне поочередно двумя потоками частиц альфачастицами и протонами. После облучения поверхность образца молибдена, расположенную параллельно движению потоков альфа-частиц и протонов, шлифуют, полируют и подвергают химическому травлению для выявления зон стрэгглинга. После чего образец наблюдают на оптическом микроскопе МБИ-2 при увеличении 100 крат. С помощью объект-микрометра производят измерение глубины залегания зон стрэгглинга(фиг.3 а, 3 б) с точностью 0,01 мм. Нмин первой зоны стрэгглинга для альфа-частиц оказалась равной 0,34 мм, Нмах - 0,36 мм. Нср 0,35 мм. Согласно тарировочному графику энергия потока альфачастиц составила 50 МэВ. Для потока протонов глубина залегания зоны стрэгглинга Нср 1,57 мм,энергия протонов 30 МэВ. При этом ошибка определения энергии потоков частиц составила 3-510-3 МэВ. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ определения энергии потоков альфачастиц и протонов, поглощенной металлическими материалами, включающий определение энергии потока частиц по тарировочному графику зависимости полного пробега заряженных частиц в металлическом материале от энергии потока частиц,отличающийся тем, что величину полного пробега измеряют экспериментально на самом металлическом образце после облучения, при этом расположенную параллельно направлению движения альфа-частиц и протонов поверхность 3 16347 образца шлифуют, полируют, производят отжиг или химическое травление,выявляющее зону торможения частиц, а величину полного пробега замеряют с помощью оптического микроскопа.