Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕССБАУЭРОВСКОГО ИСТОЧНИКА НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА-57

Изобретение относится к технологии изготовления источников на основе радионуклида ⁵⁷Со для ядерной гамма-резонансной (мессбауэровской) спектроскопии.

Ранее описаны способы изготовления мессбауэровских источников на основе кобальта-57 [Nucl. Instr. And Methods, 1964, v. 26, N2, p.269-273, Stephan I.; Nucl. Instr. And Methods, 1967, v. 54, N2, p.105-109, Deji I., Molnar В.; RU 2084981, МПК G21G 4/06, от 25.01.1995], в которых ⁵⁷Co электролитически осаждают на тонкие (6-12 мкм) фольги различных металлов, а затем при температурах 950-1400°С в течение 2-50 часов проводят диффузионное внедрение радионуклида в металлическую матрицу. Эти способы позволяют получать источники с малой шириной линии испускания (не более 0,13 мм/с) при поверхностной активности ⁵⁷Co до 500 мКи/см², однако имеют существенные недостатки:

а) длительный термический отжиг металлических фольг (полученных прокаткой) перед процессом электрохимического осаждения целевого радионуклида для устранения деформационных напряжений кристаллической решетки металла;

б) работа с фольгами достаточно сложна, учитывая, что подготовка к электроосаждению включает в себя изолирование обратной стороны фольги, часть ⁵⁷Со при этом адсорбируется на изоляторе. Кроме того, тонкие пленки хрома чрезвычайно хрупкие, поэтому изготовление их и работа с ними связаны с большими трудностями.

Некоторые из описанных выше недостатков устраняются в патенте [RU 2254629, МПК G21G 4/06, опубликованный 20.07.1997, БИ №17, от 20.07.2005], в соответствии с которым слой металлической матрицы формируют на поверхности графита или окиси бериллия магнетронным напылением соответствующего металла.

Полученная таким образом металлизированная подложка удобна для дальнейших технологических операций: не требует специальных приспособлений для работы с тонкими фольгами, позволяет использовать щадящий режим термодиффузии радионуклида в матрицу.

Кроме того, метод позволяет получать источники на основе ⁵⁷Со в матрицах родия или хрома с шириной линии испускания 0,11-0,12 мм/с при поверхностной активности ⁵⁷Со до 500 мКи/см².

Данный способ следует рассматривать в качестве прототипа изобретения.

Основной недостаток предложенного метода заключается в сильном внутреннем напряжении конденсированных пленок родия и в особенности хрома, что, в свою очередь, является причиной неконтролируемого механического разрушения покрытия. Иногда это проявляется в наблюдаемом отслаивании, вспучивании и растрескивании пленки. Если этот дефект проявляется в процессе изготовления источников, это приводит к потере дорогостоящего сырья - ⁵⁷Со. В некоторых случаях этот недостаток выявляется в виде изменения формы линий спектра испускания при эксплуатации источника и уже не может быть устранен.

Кроме того, реализация данного способа требует специального дорогостоящего оборудования.

Поэтому на первое место при выборе метода металлизации выходит его способность реализации надежного сцепления пленочного покрытия с керамической или графитовой подложкой, которая исключила бы островковое отшелушивание и осыпание.

Наилучших результатов в этом направлении можно достигнуть, используя метод химического осаждения из газовой фазы металлсодержащего соединения или сокращенно CVD-процесса (Chemical vapor deposition - химическое осаждение из газовой фазы). Высокая проникающая способность газа в микрорельеф подложки и гетерогенный тип реакции обеспечивают максимальные адгезионные параметры покрытия. Полученные таким способом пленки, даже в случае их растрескивания, не отшелушиваются от подложки и, следовательно, не приводят к ухудшению спектральных характеристик.

Изготовление мессбауэровских источников на основе ⁵⁷Со начинается с нанесения металлического слоя родия или хрома на поверхность графита или окиси бериллия в реакционном аппарате, в который подается газообразное металлсодержащее соединение. После подачи газообразного соединения происходит разложение последнего на разогретой подложке, вследствие чего на поверхности формируется слой металла. На сформированную таким образом матрицу электролитически наносится радионуклид ⁵⁷Co с последующей его термодиффузией в вакууме.

Применение CVD-процесса для нанесения матрицы металлического хрома или родия позволяет снизить температуру процесса, а также контролировать толщину слоя металла на поверхности подложки путем регулирования скорости подачи рабочего вещества.

Основными достоинствами предложенного метода в сравнении с прототипом являются:

- прочное сцепление сформированных пленок родия и хрома с подложкой, исключающих деформацию и разрушение матрицы;

- возможность формирования металлической матрицы на поверхностях сложной геометрии;

- низкая стоимость технологического оборудования, использованного в CVD-процессе получения металлических пленок.

Изобретение позволяет получать источники ⁵⁷Со в матрице родия или хрома с шириной линии испускания не более 0,12 мм/с при поверхностной активности ⁵⁷Со до 500 мКи/см² на подложках любой формы и размера.

Технический результат изобретения заключается в возможности изготовления высоконадежных мессбауэровских источников ⁵⁷Со с пленочной матрицей родия или хрома, не изменяющих свои спектральные характеристики при нарушении ее целостности.

Пример 1.

Подложка из графита устанавливается на нагревательный элемент внутри реакционного аппарата. После достижения вакуума (≤10Па) и температуры нагревательного элемента 300°С в аппарат подается летучее (в данных условиях) металлсодержащее соединение H₂Rh(PF₃)₄. Подача летучего соединения осуществляется с помощью вентиля тонкой регулировки. Так, для достижения толщины слоя родия 10 мкм продолжительность процесса составляет 10 мин.

Полученная подложка после окончания процесса формирования на ней родиевой матрицы помещается в электролитическую ячейку из органического стекла и через силиконовую прокладку уплотняется в ячейке.

В стаканчик объемом 3 мл отбирают необходимое количество солянокислого раствора ⁵⁷Со, добавляют 1 мл раствора электролита (водный раствор цитрата и сульфата аммония), 2 капли гидразин гидрата и 4 капли 25% раствора аммиака. Раствор перемешивают и вносят пипеткой в электролитическую ячейку с анодом из платины.

Электролиз проводят при плотности тока 100 мА/см². Через каждый час в ячейку добавляют раствор гидразин гидрата и раствор аммиака. Процесс осаждения длится 2,5 часа. После окончания процесса остатки электролита отбираются из ячейки. Подложку с осажденным на нее ⁵⁷Со извлекают из ячейки, измеряют ее активность и помещают в кварцевую ампулу.

Кварцевая ампула вакуумируется до давления 10^-3Па, а затем проводится термодиффузия ⁵⁷Со при температуре 1000±10°С в течение 1,5 часов. После диффузионного отжига образец охлаждается с печью до комнатной температуры.

Подложку извлекают из кварцевой ампулы, измеряют ее активность и мессбауэровские характеристики.

Пример 2.

Подложка из окиси бериллия устанавливается на нагревательный элемент внутри реакционного аппарата. После достижения вакуума (≤10 Па) и температуры нагревательного элемента 300°С в аппарат подается летучее (в данных условиях) металлсодержащее соединение Сr(С₈Н₁₀)₂ (бисэтилбензол-хром). Для улучшения условий формирования хромовой матрицы в исходное соединение вводится хлорсодержащее летучее соединение порядка 1-2 об.% основного металлсодержащего соединения. Подача летучего соединения осуществляется с помощью вентиля тонкой регулировки. Так, для достижения толщины слоя хрома 10 мкм продолжительность процесса составляет 12 мин.

Полученная подложка после окончания процесса формирования на ней родиевой матрицы помещается в электролитическую ячейку из органического стекла и через силиконовую прокладку уплотняется в ячейке.

В стаканчик объемом 3 мл отбирают необходимое количество солянокислого раствора ⁵⁷Со, добавляют 1 мл раствора электролита (водный раствор цитрата и сульфата аммония), 2 капли гидразин гидрата и 4 капли 25% раствора аммиака. Раствор перемешивают и вносят пипеткой в электролитическую ячейку с анодом из платины.

Электролиз проводят при плотности тока 100 мА/см². Через каждый час в ячейку добавляют раствор гидразин гидрата и раствор аммиака. Процесс осаждения длится 2,5 часа. После окончания процесса остатки электролита отбираются из ячейки. Подложку с осажденным на нее ⁵⁷Со извлекают из ячейки, измеряют ее активность и помещают в кварцевую ампулу.

Кварцевая ампула вакуумируется до давления 10^-3 Па, а затем проводится термодиффузия ⁵⁷Со при температуре 1000±10°С в течение 1,5 часов. После диффузионного отжига образец охлаждается с печью до комнатной температуры.

Подложку извлекают из кварцевой ампулы, измеряют ее активность и мессбауэровские характеристики.