устройство для получения равномерного углового распределения треков корпускулярного излучения в пленочном материале (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для получения равномерного углового распределения треков корпускулярного излучения в пленочном материале, включающее диафрагму с заданным размером и узел для создания деформации элементов облучаемой поверхности, отличающееся тем, что упомянутый узел выполнен из n одинаковых свободно вращающихся валиков радиуса r и длиной, большей ширины пленочного материала, оси вращения которых эквидистантно закреплены по окружности радиуса R между двумя параллельными держателями, выполненными с возможностью вращения с фиксированной частотой вокруг общей оси, боковая поверхность валиков выполнена с профилем в виде соприкасающихся по касательной равных сегментов противоположной кривизны с хордами D в плоскости оси вращения, каждый последующий валик смещен вдоль оси относительно предыдущего на величину , причем значения величин L, R, r, D и удовлетворяют соотношению

_max N = LR/D(R+r),

где _max - заданный предельно допустимый разброс величины максимального угла наклона трека в направлении движения пленки, рад;

L - размер диафрагмы в направлении движения пленки м;

N - целое число.

2. Устройство для получения равномерного углового распределения треков корпускулярного излучения в пленочном материале, включающее диафрагму с заданным размером и узел для создания деформации элементов облучаемой поверхности, отличающееся тем, что упомянутый узел выполнен из n одинаковых синхронно вращающихся валиков радиуса r и длиной, большей ширины пленочного материала, оси вращения которых эквидистантно закреплены по окружности радиуса R между двумя параллельными держателями, выполненными с возможностью вращения с фиксированной частотой вокруг общей оси, на боковой поверхности валиков нанесена S-заходная резьба с профилем зуба в виде соприкасающихся по касательной равных сегментов противоположной кривизны, причем значения величин R, r, L, S и n удовлетворяют соотношению

_max N = LRS/nr²,

где _max - заданный предельно допустимый разброс величины максимального угла наклона трека частицы в направлении движения пленки, рад;

L - размер диафрагмы в направлении движения пленки, м;

N - целое число.

Описание изобретения к патенту

Изобретение (варианты устройства) относится к области облучающих устройств, применяемых при ядерно-физических методах обработки материалов, в частности к устройствам для изготовления трековых мембран.

При решении ряда технологических задач с использованием облучения материала или изделия пучком ускоренных частиц желательно реализовать равномерное аксиально-симметричное распределение направлений треков относительно нормали к поверхности облучаемого материала. В частности, такая задача возникает при изготовлении трековых мембран (ТМ), обладающих уникально высокой селективностью. Технология изготовления ТМ основана на облучении полимерного материала ускоренными тяжелыми ионами или продуктами деления U²³⁵ и последующей физико-химической обработке латентных треков. Селективность ТМ зависит от относительного числа только таких пространственных наложений треков, при которых протравленные треки накладываются по всей длине микропор. Вероятность таких наложений зависит от геометрических размеров пор, от числа пор на единице облучаемой поверхности и от распределения направлений пор. Основными параметрами ТМ, определяющими области их применения, являются диаметр пор и их числа на единице поверхности. Поэтому единственным свободным параметром, определяющим вероятность наложений треков, является характеристика их углового распределения. Угловое распределение пор определяется системой облучения пленочного материала тяжелыми ионами.

Известно устройство, обеспечивающее облучение параллельным пучком ионов с дозой q [ион/см²] в пределах установленной диафрагмы плоского участка пленочного материала, движущегося в области облучения или закрепленного в кассетнице устройства для облучения [1], взятое нами за аналог.

Вероятность наложений двух треков после травления определяется величиной q² W₁/2, где W₁ - геометрическая вероятность наложений (определяемая размером и ориентацией треков). Для устройства, взятого за аналог, W₁ определяется формулой

W₁= 4²; [см] - радиус пор, (1)

Для уменьшения вероятности наложений при сохранении необходимой пористости P = ²q100%, определяющей производительность ТМ, устройством описанным в [2], принятом нами за прототип, осуществляется статистическое распределение направлений треков в пределах некоторого угла _max. Это достигается путем обеспечения прохождения облучаемой пленки по цилиндрической поверхности вращающегося валика радиуса r, сканируемого параллельным пучком ионов в пределах установленной диафрагмы размером L в плоскости, перпендикулярной оси валика. Устройство обеспечивает разброс углов наклона треков в плоскости, перпендикулярной оси валика, в пределах

_max= 2Arcsin(L/2r)~L/r.

Вычисление W для пленок, облучаемых в таком устройстве, приводит к выражению

W₂= 128³/3h_max, (2)

где h [м] - толщина пленки. В реальных условиях h.

Вероятность W₂ может быть уменьшена, если в устройстве предусмотрен, помимо статистического углового распределения треков в одной плоскости, набор нескольких фиксированных углов облучения в плоскости, ей перпендикулярной. В соответствии с числом фиксированных углов уменьшается вероятность наложений.

Такое устройство может быть основано на одновременном облучении нескольких слоев пленки, расположенных под различными фиксированными углами к направлению пучка, что, соответственно, требует многократного увеличения энергии ионов и сопряжено с большей дисперсией диаметров пор.

Все рассмотренные устройства не обеспечивают минимального возможного значения вероятности наложений треков при заданной пористости. Это связано с реализацией равновероятностного распределения углов наклона треков лишь в одной плоскости. Устройство, обеспечивающее дополнительную возможность облучения под несколькими (реально - двумя) фиксированными углами в перпендикулярной плоскости, существенно не уменьшает W₂ и предполагает в качестве источников тяжелых ионов использование уникальных сверхмощных ускорителей.

Минимально возможное значение вероятности наложений треков может быть достигнуто путем использования устройства, обеспечивающего равновероятностное аксиально-симметричное распределение направлений треков.

Можно показать, что в этом случае для относительной вероятности W₃ в первом приближении

W₃/W₁~(2)²/(htg(_max/2))²; (3)

В общем случае из выражений (1, 2, 3) следует



Как следует из выражения (4) в диапазоне _max/230 отношение W₃/W₂ приблизительно линейно уменьшается с ротором _max/2. При значении _max/2 = 30



Задачей изобретения является уменьшение вероятности наложений треков корпускулярного излучения в пленочном материале при сохранении производительности трековых мембран и энергии облучаемых частиц. Эта задача реализуется устройством для получения равномерного углового распределения треков корпускулярного излучения, включающим диаграмму с заданным размером и узел для создания деформации элементов облучаемой поверхности. Согласно формуле изобретения упомянутый узел выполнен из "n" одинаковых свободно вращающихся валиков радиуса r и длиной, большей ширины пленочного материала, оси вращения которых эквидистантно закреплены по окружности радиуса R между двумя параллельными держателями, выполненными с возможностью вращения с фиксированной частотой вокруг общей оси, боковая поверхность валиков выполнена с профилем в виде соприкасающихся по касательной равных сегментов противоположной кривизны с хордами D в плоскости оси вращения, каждый последующий валик смещен вдоль оси относительно предыдущего на величину , причем значения величин L, R, r, D и удовлетворяют соотношению

_maxN = LR/D(R+r)r, где _max - заданный предельно допустимый разброс величины максимального угла наклона трека в направлении движения пленки [рад] , L - размер диафрагмы в направлении движения пленки [м], N - целое число.

Другой вариант решения этой задачи реализуется устройством, в котором упомянутый узел выполнен из "n" одинаковых синхронно вращающихся валиков радиуса r и длиной, большей ширины пленочного материала, оси вращения которых эквидистантно закреплены по окружности радиуса R между двумя параллельными держателями, выполненными с возможностью вращения с фиксированной частотой вокруг общей оси, на боковой поверхности валиков нанесена S-заходная резьба с профилем зуба в виде соприкасающихся по касательной равных сегментов противоположной кривизны, причем значения величин R, r, L, S и n удовлетворяют соотношению

_maxN = LRS/nr², где _max - заданный предельно допустимый разброс величины максимального угла наклона трека частицы в направлении движения пленки [рад] , L - размер диафрагмы в направлении движения пленки [м], N - целое число.

Сущность изобретения: устройство (два варианта) обеспечивает деформацию пленочного материала в двух направлениях в процессе его облучения корпускулярным излучением. В результат деформации пленки системой вращающихся валиков с профилированной поверхностью достигается равномерное близкое к оcсесимметричному угловое распределение направлений треков, соответствующее минимальному значению из наложений при сохранении плотности облучения.

Предлагаемое устройство (варианты) изображено на фиг. 1: 1 - пленка, 2 - диафрагма, 3 - валик, 4 - держатель.

Облучаемая в пределах диафрагмы шириной L пленка, движущаяся с фиксированной линейной скоростью V не зависящей от частоты вращения держателей валиков, обкатывает часть валиков, находящихся в секторе, превышающим сектор облучения Arcsin (L/(R+r)). Предполагаем, что пучок ионов в пределах диафрагмы L параллелен, постоянен во времени и одинаков по плотности.

Рассмотрим соотношения между параметрами деталей предлагаемого устройства, обеспечивающие реализацию заданного распределения направлений треков ионов относительно нормали к плоскости пленки.

Выбор значений максимальных углов наклона в направлении движения пленки (_max) и в перпендикулярной плоскости (_max) диктуется рядом условий: уменьшение числа случайных наложений с увеличением максимального угла наклона треков (4) сопряжено с некоторым уменьшением производительности ТМ за счет увеличения длины пор и необходимостью использовать ускоренные пучки с большей энергией. В устройстве, принятом за прототип

На фиг. 2 изображено положение валика 3 в момент реализации _max для участка пленки при входе его в область облучения диафрагмы 2: _max имеет место для тех участков пленки, которые входят в область облучения в те моменты, когда эти участки расположены на конце находящейся в области облучения дуги (l) 5 соприкосновения валика с пленкой.

Обозначим (фиг. 3) значение _max, реализуемое в тех областях пленки, которые находились на облучаемом участке конца дуги 5 соприкосновения, когда основная часть дуги находилась вне зоны облучения. Это значение постепенно увеличивается до _max для участков пленки, входящих в зону облучения в контакте с поверхностью очередного валика.

Из очевидных геометрических соотношений для получаем

_max Arcsin(L/2(R+r))+(180/n)(R/R(R+r)), (6)





Пусть предельно допустимый разброс величины максимального угла наклона трека в плоскости направления движения пленки на различных участках составляет _max. Тогда за время прохождения со скоростью V через границу окна облучения отрезка пленки, равного длине l касания валика с пленкой (l = 2r/n), через эту границу должно пройти число валиков (p), определяемое из условия



Поскольку p = (nl)/V = (2r)/V, то на основании (8), (9) частота вращения держателей валиков может быть определена из выражения



Как следует из (3), (4) при вероятность наложений W~1/_max. Подобная зависимость имеет место и для предлагаемого устройства. Из-за уменьшения на некоторых участках пленки _max до значения _max- _max, имеем

W_max~1/(_max-_max)~(1+_max/_max)/_max.

С учетом того, что задачей предлагаемого устройства является существенное уменьшение вероятности наложений, полагаем, что допустим разброс W на различных участках пленки в пределах 15%, т.е. (W_max-W)/W 15% и, соответственно, при допустим _max~5.

Из соотношения (10) следует, что линейная скорость движения валиков по поверхности пленки V_c многократно превышает скорость движения пленки V в широком диапазоне изменения n



Очевидно, что при продвижении пленки внутрь области облучения (-L/2) - (+L/2) разброс угла наклона треков за счет вращения системы валиков в точке с координатной L_i вдоль направления движения пленки определяется формулой



Т. о. при прохождении всей области облучения реализуется разброс углов наклона треков в направлении движения пленки в пределах _max.

Для получения углового распределения треков в направлении, перпендикулярном движению пленки, на поверхность валиков в варианте 1 наносится волнообразный профиль в плоскости оси вращения в виде последовательности соприкасающихся по касательной равных сегментов противоположной кривизны с хордами D и центральным углом 2_max - фиг. 4, где 6 - хорда длиной D, 7 - удвоенная высота сегмента волнообразного профиля, 8 - ось валика.

Для амплитуды H противоположно направленных сегментов получаем значение

H = 2Dsin²(_max/2)/sin_max. (12)

За время L/V прохождения пленкой окна облучения любая точка на поверхности пленки, независимо от начального угла наклона , должна однократно или многократно пройти весь диапазон углов в пределах _max с равной вероятностью. В случае волнообразного профиля на валиках изменение угла осуществляется путем установки соседних валиков со смещением вдоль направления оси вращения на величину для каждого последующего валика, причем определяется из условия полного сдвига валиков на величину кратную D в процессе прохождения пленкой всей области облучения. Это условие приводит к выражению



Исключив с помощью (10) V и , можно получить требуемое соотношение между размерами комплектующих деталей и <sub>max

max</sub>= LR/D(R+r)rN, (14)

_max-[рад],

D, R, r - [м]

Пусть величина продольного последовательного смещения соседних валиков = D/m и предположим, что профиль пленки, задаваемый профилем поверхности соседних валиков сохраняется между ними. Тогда наклон некоторой области поверхности пленки в результате прохождения "m" валиков будет непрерывно изменяться в пределах _max.

При смене очередного валика изменение может быть определено из соотношения



При реальных значениях _max и m (например с точностью до 0,5^o имеем



Это соотношение справедливо для неподвижной пленки. В случае независимых движений пленки со скоростью V и обкатки валиком поверхности пленки со скоростью V_c= 2(R+r) для значений получаем



Реально поправка может составить несколько процентов. По результату воздействия на это эквивалентно изменению на несколько % значения в выражении (12), что совершенно не сказывается на угловом распределении .

Т. о. , при обкатывании легко деформируемой пленки роликами с указанным профилем и каждый участок поверхности пленки при прохождении области облучения, помимо наклона в пределах _max оказывается N-кратно последовательно развернутым под углом в диапазоне _max относительно направления пучка ионов. Следовательно, предлагаемое устройство с определенным соотношением параметров деталей (14) позволяет в процессе облучения осуществить переменную упругую деформацию всех областей материала в заданном диапазоне углов.

Рассмотрим другой вариант устройства, в котором профиль на поверхности валиков выполнен в виде резьбы. При натяжении тонкой пленки на системе таких валиков, пленка между ними сохраняет волнообразную деформацию, задаваемую рельефом поверхности валиков. В случае рельефа в виде резьбы, как и в случае волнообразного рельефа,

амплитудные значения деформаций располагаются по направлению силы натяжения пленки, а не по направлению продолжения хода резьбы.

Для сохранения относительного расположения вдоль валиков амплитудных значений профиля резьбового рельефа вращение валиков вокруг собственных осей может быть синхронизировано известными способами (обкатка общей передачи шкивов на валиках, сцепление с общим зубчатым колесом и т.д.).

Если на всех "n" валиках имеется S-заходная резьба профиля, определенного формулой (12) и шагом 2DS, фазы резьбы на равных расстояниях вдоль длины всех валиков одинаковы и вращение валиков вокруг своих осей строго синхронизированного, то в процессе поворота всей сборки так, что "k"-тый валик заменится на соседний, изменение фазы наклона пленки в направлении, перпендикулярном к направлению движения составит



где часть шага резьбы при смене соседнего валика. За время прохождения окна облучения суммарное изменение угла составит



Равновероятностно наклон в диапазоне -30 +30 реализуется в случае равенства (целое число). Исключив с помощью (10) и V и учитывая, что реальная величина L(R+r)S/Vr1, получаем требуемое соотношение между параметрами устройства и <sub>max

max</sub>N = LRS/nr². (18)

Для оценки эффективности устройства (варианты) в отношении уменьшения вероятности наложений рассмотрим вид соответствующих фазовых траекторий при двумерной деформации элемента поверхности пленки.

При облучении параллельным пучком пленки, деформационной в двух направлениях, каждому углу наклона трека соответствует точка в ограниченной двумерной области фазового пространства. Закон изменения деформации любого элемента поверхности пленки в процессе облучения определяет соотношение реализуемых координат на фазовой плоскости. В частности, эти соотношения могут соответствовать определенным фазовым траекториям на фазовой плоскости. При заданной плотности облучения и h вероятность наложений будет практически обратно пропорциональна длине этих фазовых траекторий.

Можно показать, что при соотношение между углами наклона в параллельной и перпендикулярной плоскостях с точностью до 10% совпадают с отношениями между соответствующими проекциями треков. Таким образом, фазовые траектории соответствуют геометрическому месту точек возможных координат проекций треков. Выражение для угла наклона треков в плоскости движения пленки одинаковы для обоих вариантов устройства.

Для определения фазовых траекторий вычислим зависимость (t) для участка пленки, попавшего в зону облучения. Для определенности полагаем, что (0) = _max,0, система валиков обкатывает пленку со скоростью V_с против часовой стрелки, а пленка со скоростью V движется в противоположную сторону, V_с >> V.

При вращении системы валиков к моменту t(_min,0) tr/R+r, где t = l/n - время смены очередного валика, достигнет значения _{min,0 max,0}-2R/n(R+r).

К моменту t(_max,1) t(1-tVn/2(R+r)) вновь возрастет до величины _{max,1 max,0}-t(_max,1)V/R+r, а через период t примет значение (t) = _max,0-tV/r. Последующая смена валиков приведет к повторным изменениям.

Для значений t(_min,k) и t(_max,k) при прохождении k-ого валика через область облучения можно получить





В приближении t(_min,k)t(_max,k)kt (что допустимо, т.к. зависящие от k члены имеют существенную величину при больших значениях k) получаем зависимость _min и _max от координаты (ktV) в зоне облучения выбранного участка пленки

_min,k= _max,0-2R/n(R+r)-(ktV)/(R+r),

_max,k= _max,0-(ktV)/(R+r). (20)

Если направление вращения системы валиков и движения ленты совпадают, то в формулах (17) знаки должны быть изменены на указанные в скобах.

Число валиков k_max, прошедших через область облучения за время прохождения пленки этой области, получаем из очевидного соотношения



С учетом того, что V 2(R+r), независимо от фазы вхождения фиксированного участка пленки в область облучения, вблизи ее центра каждый участок каждый будет облучаться в направлении нормали к поверхности не только на соответствующем участке поверхности валика, но и при симметричном расположении валиков относительно осевой линии области облучения. При прохождении пленкой всей области распределение будет симметрично относительно середины области облучения.

Предлагаемое устройство (два варианта) работает следующим образом. Пленка 1 перемещается со скоростью V, не зависящей от частоты вращения держателей 4 валиков 3, либо в одном с ними направлении, либо в противоположном. Угловая скорость свободно вращающихся (в варианте 2 - синхронно вращающихся) вокруг своих осей валиков 3, обкатывающих пленку, определяется значениями, V,. Деформация участков пленки определяется изгибом ее по образующей валиков и облеганием волнообразной поверхности валиков вдоль оси вращения либо рельефа поверхности в виде резьбы с волнообразным профилем.

Такая деформация пленки при облучении корпускулярным пучком позволяет получить достаточно равномерное угловое распределение треков, близкое к осесимметричному.

Пример 1.

На фиг. 5 приведен вид участка фазовой траектории наклона треков варианта устройства с волнообразным профилем на поверхности валиков для элемента поверхности пленки, входящего в область облучения при _max,0= +26, = 0. В качестве примера взято устройство с параметрами: _max= 26, _max= 30, L = 0,8 см, R = 2,5 см, r = 0,5 см, n = 8, m = 8, = 2,5 с^-1, V 1 см/с, _max= 4,7^oC, N = 2, D = 0,24 см, = 0,03 см, H = 0,032 см, k_max = 16.

Проведем анализ фазовой траектории. Значение t(_max,k) фиксирует момент касания k-тым валиком выбранного участка пленки, движущегося в области облучения. Оно определяет момент достижения _max,k и момент фиксации очередного значения угла _k. Этот угол остается постоянным в течение t(_max)-t(_min) = tr/R+r), в то время как изменение _max-_min составит 2r/n(R+r). Далее, за время tR/(R+r) угол _k постепенно изменяется до значения _k+1.

Уменьшение вероятности наложения треков подтверждается соотношением длин фазовых траекторий углов наклона треков, реализуемых в предлагаемом устройстве и в прототипе.

Уменьшение _max и _min в процессе прохождения области облучения составляет L/(R+r) рад (фиг. 5). Таким образом, в диапазоне плотность треков с углом наклона постоянна, а при больших значениях она линейно спадает до 0.

При вычислении вероятности наложений надо учесть, что при прохождении второго цикла углов (при N = 2), часть участков траекторий, соответствующих _k= const, будут накладываться на траектории первого цикла и эффективная длина, определяющая вероятность наложений на этих участках, должна быть уменьшена вдвое. Кроме того, необходимо учесть, что времена облучения при _k= const и _k const относятся как r/R. С учетом этих факторов эффективная длина Z фазовой траектории, определяющая вероятность наложений может быть вычислена по формуле:



Для параметров устройства, взятого в качестве примера, Z = 9,91 рад.

В устройстве, принятом за прототип -30 < +30, т.е. Z = 1,05 рад, и, соответственно, предлагаемое устройство реализует увеличение длины фазовой траектории в 9,4 раза. Если учесть уменьшение реализации углов наклона в двух областях при и соответствующее увеличение плотности облучения в области то реальное уменьшение вероятности двойных наложений по сравнению с прототипом составит 8,0 рад.

В соответствии с (5) в диапазоне /h0,03 устройство позволяет получить отношение вероятностей W₃/W₂, не превышающее соответствующее отношение для равномерного осесимметричного распределения.

Т. о. предлагаемое устройство обеспечивает существенное уменьшение вероятности наложений треков при сохранении дозы облучения и, соответственно, производительности трековых мембран.

Пример 2.

В качестве примера варианта устройства с профилем на поверхности валиков в виде резьбы создан макет соответствующего узла, в котором _max,_max,L,R,r,n,,V,k_max,_max и H имели те же значения, что и в примере 1. Использовалось значение S = 1 и соответственно шаг резьбы составлял 2D.

Определим фазовую траекторию углов наклона треков устройства, выбранного в качестве примера.

В соответствии с (17) для указанных значений параметров т. е. за время прохождения окна облучения, наклон каждого элемента поверхности пленки 24 раза пройдет диапазон = 30.

Пусть для выбранной точки поверхности пленки при вхождении ее в область облучения ₀= 0, = _max,0. Изменение до встречи этой точки с очередным валиком, где реализуется _max,k, будет



Очередное _min,k реализуется после прохождения сектора валика



Тогда

При S = 1 для устройства, выбранного в качестве примера из выражений (23), (24) получаем

(_max,k) = k95,625,



На фиг. 6 приведена часть фазовой траектории для этого случая. Длина фазовой траектории при k_max = 16 соответствует 36,1 рад, что в 34,4 раза превышает длину фазовой траектории, соответствующей облучению пленки на одиночном цилиндре. Наложений участков траектории в этом случае нет, но, как указано выше, часть (41%) общей длины траектории, соответствующая условию заселяет треками с меньшей плотностью, чем остальная область. Учет этого эффекта приводит к увеличению относительной вероятности наложений на 16% при условии сохранения величины плотности облучения. Таким образом, реально достигается значение W₃/W₂ 1/30. Следует отметить, что в соответствии с (5) это отношение реализуется только при условии /h1/120. При больших значениях этого отношения W₃ /W₂ не может быть меньше величины, определяемой формулой (5). Реально при любых используемых значениях /h и равенстве доз облучения вероятность наложения треков при использовании предлагаемого устройства значительно меньше вероятности наложений треков, реализуемой при использовании прототипа.

Литература

1. Ю. Ф.Гагарин, Г.М.Гусинский, Н.С.Иванова, И.Х.Лемберг. "Изготовление микрофильтров с радиусом пор 100 и более при облучении лавсаном ионами Ar". ПТЭ, N 6, 1976, стр. 213.

2. Н. Г. Флеров. "Синтез сверхтяжелых элементов и применение методов ядерной физики в смежных областях". Вестник АН СССР, N 4, 1984, стр. 35.