Способ изготовления плазменных разблокированных стартовых мишеней

Способ изготовления плазменных разблокированных стартовых мишеней

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу производства плазменных разблокированных стартовых мишеней с целью получения радиоактивных нуклидов с предельно высокой удельной активностью при их облучении в потоке нейтральных или заряженных частиц.

Известно, что получение целевых радионуклидов с высокой удельной активностью, зависит, помимо величины потока нейтральных или заряженных частиц, их энергии, сечений взаимодействия, от степени самоэкранировки стартовой мишени. Эффект самоэкранировки заключается в том, что наружные слои стартовой мишени ослабляют поток частиц, в результате чего снижается его эффективное значение и, следовательно, уменьшается удельная радиоактивность. Согласно проведенным в ГНЦ РФ ИТЭФ расчетам проигрыш в удельной активности равен примерно коэффициенту 2 для кобальтовой мишени в виде пластины с толщиной 2 мм по сравнению с идельной, полностью разблокированной мишенью (Г.В.Киселев. Технология получения радиоактивных нуклидов в ядерных реакторах. - М.: Энергоатомиздат, 1990 (1)). Для значительного числа стартовых нуклидов с целью получения максимально возможной удельной активности целесообразно использование разблокированных мишеней, т.е. мишеней с предельно низкой концентрацией стартового нуклида, что значительно снижает эффект самоэкранировки. В этой связи задача изготовления разблокированных стартовых мишеней является практически важной при производстве целевых радионуклидов с высокими характеристиками. Т.о. формулируется следующая техническая задача: требуется организовать изготовление разблокированных стартовых мишеней с целью получения радиоактивных нуклидов с предельно высокой удельной активностью при их облучении в потоке нейтральных или заряженных частиц.

Однако изготовление так называемых разблокированных стартовых мишеней с низкой концентрацией стартового нуклида представляет определенные трудности, в частности, для труднообрабатываемых стартовых материалов, например, иридия или золота. В этой связи представляет интерес рассмотрение других возможностей изготовления разбавленных стартовых мишеней по сравнению с существующими способами. Одно из возможных технических решений заключается в применении технологии производства жидких стартовых мишеней, которые позволяют, в принципе, иметь любую минимальную концентрацию стартового нуклида. Для производства жидких стартовых мишеней в заготовительном отделении должно быть предусмотрено использование химической установки, содержащей, например, реакционный сосуд для смешивания стартового материала и растворителя и последующего растворения стартового материала, дозатор для снаряжения изотопной ампулы заданным количеством стартового материала. В зависимости от стартового материала возможно использование водного, кислотного и щелочного растворителей. Жидкие стартовые мишени, изготавливаемые с помощью химической установки, являются максимально возможным приближением к разблокированным мишеням.

Ближайшим аналогом является способ изготовления плазменных мишеней для получения целевых радионуклидов при облучении в потоке нейтральных или заряженных частиц, описанный в патенте RU 2054832, Н05Н 6/00, 1996 (2). Для получения мишеней в ионизированном состоянии используют два импульсных лазера: один для разогрева и испарения мишени, другой, перенастраиваемый лазер - для поляризации пароструйного облака, охлаждаемые коллекторы для сбора атомов мишени и продуктов их взаимодействия с ускоренными частицами, мишенедержатель и механизм перемещения ячеек мишенедержателя, магнитные катушки для ориентированных ядер и др. Недостатками аналога для целей получения плазменных разблокированных стартовых мишеней является необходимость использования двух импульсных лазеров и согласование их работы, охлаждение коллекторов и перемещение ячеек мишенедержателя, что усложняет процесс изготовления плазменных мишеней.

Одним из возможных способов производства разблокированных стартовых мишеней является их получение в плазменном состоянии. С этой целью предлагается использовать энергию лазерного излучения для перевода твердых стартовых материалов в ионизованное (плазменное) состояние, что позволяет получить практически любую концентрацию стартового нуклида, близкую к идеальной. Авторами разработан способ производства разблокированных стартовых мишеней в плазменном состоянии, заключающийся в использовании энергии лазерного излучения для облучения стартового материала и перевода его в плазменное состояние при выполнении определенных условий. Достижение указанной цели осуществляется тем, что в способе изготовления плазменных разблокированных стартовых мишеней для получения целевых радионуклидов при облучении в потоке нейтральных или заряженных частиц, согласно изобретению, с целью перевода стартового материала в ионизованное состояние используют в заготовительном отделении ядерной установки, производящей радионуклиды, стендовое лазерное устройство, состоящее из лазера, световода, держателя изотопной ампулы; герметизируют изотопную ампулу, содержащую твердый стартовый материал, путем установки фокусирующей линзы; производят вакуумную откачку внутреннего объема изотопной ампулы до разрежения 10^-2-10^-5 мм рт.ст., после чего устанавливают ее в держатель; производят юстировку лазера, световода и держателя изотопной ампулы; и производят облучение лазерным лучом стартового материала в течение расчетного времени, определяемого полным переходом облучаемого материала в ионизованное состояние, после чего передают изотопную ампулу на облучение в облучательный объем ядерной установки, производящей радионуклиды.

Использование стендового лазерного устройства, состоящего из твердотельного или газового лазера импульсного действия, световода, держателя для закрепления в нем изотопной ампулы со стартовым материалом и фокусирующей оптической системы при выполнении определенных условий. Этими условиями являются:

- обеспечение требуемой мощности лазера, необходимой для перевода стартового материала в плазменной состояние;

- фокусирование пучка лазерного излучения на стартовую мишень для уменьшения мощности лазера;

- герметизация изотопной ампулы со стартовым материалом, чтобы исключить выброс ионов стартового материала за пределы изотопной ампулы;

- использование оптически прозрачных для лазерного излучения материалов, герметизирующих изотопную ампулу;

- исключение прожога стенки изотопной ампулы в месте расположения стартового материала в результате воздействия лазерного излучения. Предлагаемый способ заключается в том, чтобы для обеспечения указанных условий выполняются следующие технологические операции:

1) применяют твердотельный или газовый лазер импульсного действия мощностью до 10 Дж, с интенсивностью излучения на выходе не менее 10⁸ Вт/см²;

2) используют оптическую систему в виде линзы из кристаллического материала, например оптического стекла, кристалла хлористого натрия и т.д., выполняющую одновременно герметизацию внутреннего объема изотопной ампулы и увеличение интенсивности лазерного излучения до 10⁹ Вт/см² в месте расположения стартовой мишени;

3) производят герметизацию и вакуумную откачку внутреннего объема изотопной ампулы, предварительно снаряженной стартовым материалом, до разряжения 10^-2-10^-5 мм рт.ст. (Герметизация осуществляется с помощью фокусирующей линзы с тем, чтобы не происходило потери мощности лазерного излучения при облучении стартового материала в случае, если изотопная ампула будет иметь атмосферное-давление).

4) осуществляют облучение стартового материала, находящегося в изотопной ампуле, пучком лазерного излучения в течение расчетного времени, необходимого для полного перевода стартового материала в плазменное состояние.

По окончании процесса облучения лазерным излучением ампула вынимается из держателя и передается для облучения в облучательном объеме ядерной установки, производящей радионуклиды.

Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в отсутствии двух лазеров и магнитных катушек для ориентированных ядер и необходимости в охлаждении коллекторов и перемещении ячеек мишенедержателя, что упрощает процесс изготовления плазменных мишеней, и др. Если сравнивать предлагаемый способ с технологией производства жидких стартовых мишеней, то возникают трудности растворения для некоторых труднорастворимых материалов, например, золота. Кроме того, при облучении потоками нейтральных или заряженных частиц жидких стартовых мишеней возникает проблема радиолиза раствора, особенно для тех мишеней, которые должны облучаться длительное время в интенсивных потоках нейтральных или заряженных частиц. Помимо этого нельзя исключать вероятность разгерметизации изотопной ампулы с жидкой стартовой мишенью. Поэтому использование жидких стартовых мишеней, являясь принципиально возможным, носит ограниченный характер. Стартовый материал, переведенный в плазменное состояние с помощью предлагаемого способа, находится на стенках изотопной ампулы и не может выйти за пределы изотопной ампулы, и не представляет никакой опасности для облучательного объема в случае разгерметизации изотопной ампулы. Указанные отличия являются существенными для обеспечения безопасного облучения изотопных ампул в ядерной установке.

В обоснование предлагаемого способа проведены соответствующие оценки, которые свидетельствуют о технической осуществимости предлагаемого способа. Согласно проведенным расчетам для указанных параметров лазера и при интенсивности излучения 10⁹ Вт/см² в месте расположения твердого стартового материала скорость перехода стартового материала в плазменное состояние составит 1 мг за 10 сек Это означает, что производительность предлагаемого способа будет находиться в пределах от 10 сек для массы стартового нуклида 1 мг, 1000 сек для массы 100 мг, 10000 сек - для массы 1 г. Экономическая эффективность предлагаемого способа определяется увеличением удельной активности целевого радионуклида при использовании плазменной разблокированной мишени по сравнению с неразблокированной. Согласно данным (1, стр.63) выигрыш в удельной активности Ir-192 при использовании природной иридиевой мишени Ir-191 диаметром 2 мм (вес 30 мг) по сравнению с мишенью диаметром 6 мм составляет почти 3 раза. Вес мишеней из природного иридия диаметром 0.5-1.0 мм будет меньше 30 мг, выигрыш в удельной активности Ir-192 будет в 3-2 раз выше, чем для мишени диаметром 2 мм. Поэтому производительность предлагаемого способа для изготовления разблокированных стартовых мишеней является достаточной. Для реализации предлагаемого способа необходимо провести предварительные настроечные испытания, чтобы определить соотношение между расчетными и фактическими параметрами разблокированных стартовых мишеней, обеспечивающие решение поставленной технической задачи.

Способ изготовления плазменных разблокированных стартовых мишеней для получения целевых радионуклидов при облучении в потоке нейтральных или заряженных частиц, отличающийся тем, что, с целью перевода стартового материала в ионизованное состояние, используют в заготовительном отделении ядерной установки, производящей радионуклиды, стендовое лазерное устройство, состоящее из лазера, световода, держателя изотопной ампулы; герметизируют изотопную ампулу, содержащую твердый стартовый материал, путем установки фокусирующей линзы; производят вакуумную откачку внутреннего объема изотопной ампулы до разрежения 10^-2-10^-5 мм рт.ст., после чего устанавливают ее в держатель; производят юстировку лазера, световода и держателя изотопной ампулы; и производят облучение лазерным лучем стартового материала в течение расчетного времени, определяемого полным переходом облучаемого материала в ионизованное состояние, после чего передают изотопную ампулу на облучение в облучательный объем ядерной установки, производящей радионуклиды.