Способ получения пористых микрофильтров и устройство для его осуществления

(51)4 В 01 9 39/14 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРю 1 ТИйОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Объединенный институт ядерныхисследований(56) Замятнин Ю.С, Труды 111 Всесоюзного совещания по использованию новых ядерно-физических методов для решения научно-технических и народно-хозяйственных задач. Дубна, 1979, Р 18-12147, с.147.Патент США В 3529157, кл.161-109, 1966.(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ МИКРОФИЛЪТРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) 1. Способ получения пористых микрофильтров, включающий облучение пленки из диэлектрического материала коллимированным пучком продуктов деления актиноидов с последующим ее химическим травлением, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения и удешевления процесса, облучение пленки ведут коллимированным пучком продуктов деления, возникающим в результате воздействия на уран или торий природного изотопно. го состава тормозным излучением электронов с энергией 15-50 мэВ.11416292. 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, о т л и ч а ющ е е с я 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 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, размещенный за тормозной мишенью электронногоускорителя.3. Устройство по п.2, о т л и - ч а ю щ е е с я 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 - ч а ю щ е е с я тем, что количество чередующихся слоев подложки, коллима" тора и диэлектрической пленки .в устройстве составляет 500 - 600 штук.Изобретение относится к атомной технике, конкретно к области производства ядерных микрофильтров, применяемых в процессах фильтрации, се-парации и концентрирования микро- объектов в газовой и жидкой средах.Известен способ изготовления пористых микрофильтров, заключающийся в бомбардировке диэлектрической пленки высокоэнергетичными тяжелы+9ми 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, уникальные ускорители - циклотроны, 20 разработанные для фундаментальных научных исследований в области ядерной физики. Их использование для широкомасштабного производства ядерных фильтров в народном хозяйстве являет. 25 ся сложным и неэффективным.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому является способ получения пористых микрофильтров, включающий облучение пленки иэ диэлектрического материала коллимированным пучком продуктов деления актиноидов 2с последующим ее химическим травлени.ем.Наиболее близким к описываемомупо технической сущности и достигаемому результату является устройство для изготовления пористых микрофильтров, включающее коллиматор, выполненный в виде тонких пластин излегких металлов с отверстиями, и ди- .электрическую пленку, помещенные вдержателе перпендикулярно облучающему 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 тепло-вых нейтронов ядерного реактора, Дляего реализации требуется наличиеядерного реактора как облучательного235устройства и 0 или Рц 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 слож ным, а микроФольтры, полученные по нему, стоят 53 доллара эа сотню. Кроме тогоданный способ ввиду специфических требований к эксплуатацииз 11416реакторов на тепловых нейтронах (являющихся основой для производстваделящихся материалов в военных целях)имеет весьма ограниченное распространение и для многих стран, в частности развивающихся, малодоступен.Недостатком данного устройства является то, что оно является сложным,дорогостоящим и на его использованиенакладываются жесткие ограничения в 1 Освязи с воэможностью использованияделящихся материалов в военных целях.Кроме того, сама конструкция устройства не позволяет получать одновременно большое количество микрофильтров с одинаковыми свойствами.Цель изобретения - упрощение иудешевление процесса получения пористых микрофильтров, их получения иснижение стоимости. 20Поставленная цель достигается опи.сываемым способом получения пористыхмикрофильтров, включающим облучениепленки из диэлектрического материалаколлимированным пучком продуктов деленни актиноидов, возникающим в результате воздействия на уран или торий природного изотопного составатормозного излучения электронов сэнергией 15 - 50 МэВ, и последующее 30ее химическое травление.Поставленная цель достигаетсятакже описываемым устройством дляполучения пористых микрофильтров,включающим коллиматор, выполненныйв виде тонких пластин из легких металлов с отверстиями, диэлектрическую пленку, тормозную мишень элект. ронного ускорителя и метаплическуюподложку, выполненную в виде пластины, покрытой с обеих сторон слоемурана или тория природного изотопного состава толщиной 0,82,0 мг/см , размещенные так, что составляют пакет с последовательно чере дующимися слоями в количестве 500 -600 штук, каждый из которыхсостоитиэ помещенной в центре подложки,вплотную примыкающими к ней с обеихсторон пластинами коллнматора и ди,электрической пленки, помещенныйв держатели перпендикулярно облучающему пучку и установленный за тормозной мишенью электронного ускорителя,Отличительным признаком способа 55является облучение пленки из диэлектрического материала коллимированнымпучком продуктов деления актиноидов,29 4возникающим в результате Чоздействия на уран нли торий природного изотопного состава тормозного излучения электронов с энергией 15 - 50 ИэВ.Отличительным признаком описываемого устройства является то, что оно дополнительно содержит тормозную мишень электронного ускорителя н металлическую подложку, выполненную в виде пластин с нанесенным на нее с обе- . их 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 составйляет 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 естественногоизотопного 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,угол41629 5 11 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 образом, чтобы общая толщина устройства не превышала 13-20 см, что практически составляет величину 500-600 штук.При воздействии тормозного излучения электронов с энергией 15 50 МэВ в результате реакции фотоделения в уране (торин) 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.Вышеприведенные условия проведения способа и параметры устройства для его осуществления являются оптимальными. Энергия тормозного излучения электронов 15 - 50 МэВ выбирается, исходя из кривой зависимости числа делений в единицу времени,которая достигает насыщения при 15 - 17 МэВ для актиноидов, а верхняя гра ница 50 ИэВ определяется верхней границей электронных ускорителей на низкие энергии, С повышением энергии выше 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 торин при Фотоделении тормозным излучением с граничной энергией 15 - 17 МэВ равны в среднем 8 - 10 мг/см . Чтобы осколки не теряли свою энергию за счет самопоглощения (вследствие чего будут "застревать" в пленке фильтра, создавая таким образом вредную радиоактивность), нужно применять слои урана и тория, не превышающие но толщине пробег. Для полной гарантии отсутствия радиоактивности на пленке верхняя граница толщины составля"ет 2 мг/см (четырехкратный запас),С другой, стороны, слишком тонкиеслои содержат недостаточное числоядер, чтобы иметь скорость деления,обеспечивающую высокую производительность способа. Подсчет экономической эффективности показывает, что вслучае использования ускорителя ти па МТпри толщине урана или тория 0,2 мг/смф стоимость фильтров,производимых по предлагаемому способу, сравнима с полученными по способу-прототипу, а при толщине 0,8 мг/см 15 в 4 раза ниже. Поскольку стоимостьускорителей на низкие энергии одного и того же порядка, то можно считать, что интервал 0,8 - 2 мг/см яв. %ляется оптимальным интервалом толщи ныслоя урана или тория природногоизотопного состава.Расстояние между тормозной мишенью и первым слоем диэлектрическойпленки, равное. 30 - 40 мм, определяется конструкцией самого узла тормозной мишени электронных ускорителейтипа МТ, ЛУЭ, БС.Количество слоев в фильтр-прессе,выбирают по возможности большое для З 0 повышения производительности установки. Ограничительными Факторамиявляются ослабление излучения с расстоянием (расходимость пучка) и пробег У - квантов в уране (тории).35 Расчет показывает, что лри толщине2 мг/см количество слоев может бытьвелико (10000) и при этом общая толщина урана все еще ниже пробега тормозного излучения с граничными энер гиями 15 и 50 МэВ. Однако расходимость пучка такова, что толщинаФильтр-пресса не должна превышать13 - 20 см, чтобы получить фильтрыс достаточно большой плотностью пор 45 10 - 106 пор/см ф, что соответствует 500 - 600 слоям в фильтр-прессе,Эта толщина фильтр-пресса определяется общей толщиной не урановых слоев, а главным образом коллиматоров.50Эффективность описываемого способа иллюстрируется следующими примерами, а параметры коллиматоровтаблицей.П Р и м е Р 1. ПаРаметРы УстРойства,Мишень - уран естественного изотопного состава толщиной 0,8 мг/смЯнанесенный на обе стороны подложки,,12 0,87 0,3 09 10 О,7 7представляющей собой алюминиевый диск ф 56 х 0,05 мм, Количество мишеней 600 штук. Коллиматор - алюминиевый диск 4 60 х 0,1 мм, в котором сделаны отверстия диаметром 0,05 мм. Прозрачность коллиматора 647, Количество коллиматоров 1200 штук. Материал фильтра - лавсановая пленка толщиной 0,01 мм в количестве 600 штук. Общая длина фильтр-пресса 19 см, Продолжительность облучения 30 мин. Облучатель - микротрон ИТс энергией 21 МэВ и током 12 мкА. Облученные фильтры ставятся на облучение ультрафиолетовым светом на 1 ч, после чего травятся 207,-ным водным раствором НаОН или КОН при температуре 70 С в течение 1 ч.После травления пленки промываются водой. Производительность 200 пленок диа- . метром 450 мм в ч. Плотность пор от 110 до 3 О пор/см ф. 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, лавсановык пленок 500 штук. Общая длина фильтр-пресса 13 см. Облучательная установка ЛУЭА время облучения 5 мин. Режимы травления те же, что и в приме" ре 1. Производительность 7000 фильтров диаметром ф 50 мм в час, Плотность пор от 3 1 О до.3 10 пор/см Предлагаемый способ полученияядерных микрофильтров обеспечиваетследующие преимущества по сравнениюсо способом - прототипом, одновремен.5 но являющимся и базовым объектом:возможность обходиться более деше"выми и доступными средствами для из-.готовления ядерных микрофильтров(ураном и торием естественного изотопного состава), а также широкораспространенными ускорителями электронов низких энергий .простота конструкции установкиюв Сдля.облучения фильтров, простота вобслуживании ускорителей упомянутого выше класса, радиационная гигиеничность, условия работы дают воэможность широкому кругу заинтересованных органиэаций производить ядерные микрофильтры.Технико-экономическая эффективность описываемого способа заключается в значительном снижении стоимости микрофильтров. Ориентировочныйрасчет показывает, что при использовании электронного ускорителя типамикротрона ИТцена 100 штук фильтров с диаметром Ф 50 мм и приведенной выше плотностью пор 2 - 5 рублей.Сотня аналогичных фильтров фирмыМцс 1 еаг Согрогагдоп, полученных побазовому способу 123 стоят 53 доллара (ч 39 рублей).Таким образом, использование опи сываемого способа для производстваядерных микрофильтров в 8-18 разснижает их стоимость. ри толщине коллиматоров10 1141629 Продолжение таблицы Эффектив 0,05 мм 0,1 мм 0,2 мм 0,5 мм кир мкм 7 4,7 83,3 0,10 0,05 0,20 0,51 0,04 0,08 0,38 0,15 0,24 0,02 010 0,05 Корректор А,Ильин Редактер Л. Курасова Техред И.Попович Заказ 6500/4 ; Тираж 663 Подписное ВВИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 1 13035, Иосква, Ж, Раушская наб., д.4/5