Постановка комплекса ядерно-физических методик анализа на базе электростатического тандема тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ РП? ОД

; 2 ь ти 2000

На правах рукописи УДК: 621.384, 6.5

ГОРЛАЧЁВ ИГОРЬ ДМИТРИЕВИЧ

ПОСТАНОВКА КОМПЛЕКСА ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДИК АНАЛИЗА НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ТАНДЕМА

Специальность: 01.04.01 - Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

г. Алматы, 2000 г.

Работа выполнена в Институте ядерной физики Национального ядерного центра Республики Казахстан

Научный руководитель:

профессор, доктор технических наук, Арзуманов Артём Арминакович

Официальные оппоненты:

профессор, доктор физико-математичс ских наук, Поляков Александ Иванович (ФТИ HAH PK),

кандидат физико-математических Hayi Казачевский Игорь Валентинов! (ИЯФ НЯЦ PK)

Ведущая организация:

Российский Федеральный Ядерный центр - ВНИИ экспериментальной физики

Защита состоится 13.07.2000 г. в 14.30 час на заседаш диссертационного совета Д600101 при Институте ядерной физш Национального ядерного центра Республики Казахстан по адрес 480082, Республика Казахстан, г. Алматы, 82, Институт ядернс физики НЯЦ РК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институ Ядерной Физики НЯЦ РК.

Автореферат разослан 12.06. 2000 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

профессор, доктор физ.-мат. наук с^2^-^ Косяк Ю.Г

ВЗУЯ. /9}03

въъ1, -юг.^оз вгв1, юь.1гоз

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время использование ^чков ускоренных ионов стало незаменимым инструментом для [ализа свойств широкого класса образцов. Развитие ядерно -«ических методов анализа на пучках заряженных частиц »условлено их очевидными достоинствами: неразрушаемость >разцов при анализе, экспрессность получения информации, •гсокое пространственное и глубинное разрешение, возможность 1ены типа и энергии ускоренных ионов и др.

К основным аналитическим задачам, решаемым на пучках ус-»ренных ионов, относятся: определение элементного состава об-1зца; исследование распределения примесных элементов по глуше и поверхности образца; определение толщины слоев в одно-юйных и многослойных фольгах. При этом используются методы ютонно-индуцированного рентгеновского излучения (Р1ХЕ). Ре-рфордовского обратного рассеяния (ЯВБ), ядерных реакций.

Так как ускоренный пучок является основой всех ядерно-^зических методик, к нему предъявляются требования, опресняющие качество проводимых экспериментов. Поэтому улуч-ение стабильности ускоренного пучка на мишени, а также со->ащение времени перестройки режима работы ускорителя яв-[ются актуальными задачами.

Материаловедческие и аналитические работы, проводящиеся в ЯФ НЯЦ РК в последнее время, предопределили необходимость одания комплекса ядерно-физических методов, который бы по-олил проводить экспрессный анализ свойств исследуемых обьек->в, таких как элементный состав, распределение элементов по убине, измерение толщины напылённых плёнок и фольг. При ом одновременное использование нескольких аналитических медов позволило не только сократить время исследования образца, ) и расширить круг решаемых задач и диапазон измеряемой тол-ины. Таким образом, комплекс ядерно-физических методов,

развитый на ускорителе УКП-2-1, является актуальной задачей.

Объект исследования. Объектом исследования был выбра комплекс ядерно-физических методов анализа с использованием ус коренных пучков протонов и дейтронов. Была изучена возможност постановки такого комплекса, после чего он был реализован на баз нового канала транспортировки пучка.

Для реализации комплекса ядерно-физических методов, а та* же для повышения точности и надёжности получаемых эксш риментальных данных возникла необходимость модернизации эле ментов и узлов ускорителя УКП-2-1.

Разработанные ядерно-физические методы позволили провеет серию аналитических экспериментов. В этом случае объектами ис следования были бериллий содержащие, нитрид-ниобиевые и шп рид-циркониевые плёнки и фольги, а также образцы воды, взятые и контрольных скважин Карачаганакского нефте-газового месторо» дения.

Основной целью работы является разработка комплекс ядерно-физических методов анализа, который позволил:

• определять матричный элементный состав образца, а также сс держание микропримесей с пределом обнаружения до ш скольких десятков микрограмм на грамм образца.

• анализировать толщину не только однослойных, но и мне гослойных плёнок. Доступная толщина плёнок составляет от дс сятков нанометров до десятков микрон.

• получать карты распределения элементов (за исключением вс дорода и гелия) по глубине.

Для достижения этой цели было необходимо решить еле дующие задачи:

• усовершенствование элементов узлов канала транспортировк пучка ускорителя УКП-2-1;

• разработка и внедрение дополнительного канала транспо{ тировки;

1 постановка комплекса ядерно-физических методов для исследования элементного состава, толщины и распределение элементов по глубине в различных образцах;

> анализ бериллий содержащих, нитрид-ниобиевых, нитрид-циркониевых плёнок и фольг, а также образцов воды, полученных из контрольных скважин Карачаганакского нефте - газового месторождения.

Научная новизна работы заключается в следующем: Впервые в Казахстане поставлены методики анализа образцов с использованием ускоренного дейтронного пучка. Одновременное использование четырёх аналитических методов (PIXE, RBS, резонансных ядерных реакций и ядерных реакций) на протонном и дейтронном пучках для получения информации о свойствах исследуемых образцов является пионерской работой.

Впервые была поставлена методика анализа дейтерия в образцах воды, полученных из контрольных скважин Карачаганакского нефте - газового месторождения, с использованием ускоренного пучка дейтронов.

Учитывая уникальность конструкции тандема УКП, новые блоки, вошедшие в состав систем канала транспортировки лёгких ионов и позволившие улучшить качество и надёжность проводимых экспериментов, также являются уникальными.

Практическая ценность Результаты, полученные при анализе бериллий содержащих и [тридных фольг, имеют важное значение на стадии отработки медик получения самонесущих бериллиевых фольг и нитридных крытий.

Определение степени диффузии никеля в медную подложку m отжиге важно для формирования механически прочных плё-к, используемых на циклотроне для получения изотопа 57Со.

Методика анализа содержания дейтерия в водных образцах

позволяет осуществлять долгосрочный прогноз радиоэкологич( ской ситуации в местах, примыкающих к подземным полостям хранилищам газоконденсата, образованных ядерными взрывами.

Важное практическое значение имеет модернизация эл< ментов канала транспортировки, так как она позволила повысит качество и надёжность проводимых экспериментов. Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработка комплекса ядерно-физических методов анализа t ускоренных пучках.

2. Использование комплекса ядерно-физических методов да анализа бериллий содержащих, нитрид-ниобиевых и нитрщ циркониевых плёнок и фольг.

3. Использование метода ядерных реакций для анализа koi центрации дейтерия в водных растворах.

4. Модернизация элементов и систем канала транспортировк пучка.

Личный вклад автора Большая часть аналитических работ, а также модернизащ элементов канала транспортировки пучка ускорителя проводилас непосредственно автором. При этом использовались последние mi ровые достижения в области анализа на пучках ускоренных ионо: а также собственные разработки. Апробация работы Результаты, лежащие в основе диссертационной работы, был представлены на международной конференции по ускорителям з; ряженных частиц (Proc. of the 6 ЕРАС, Stockholm, June 1998) на X совещании по ускорителям заряженных частиц (Москва, 1990 г. на XIII и XIV совещаниях по ускорителям заряженных части (Дубна, 1992 и 1994 г.), на X и XII совещаниях по электростатич! ским ускорителям (Обнинск, 1991 г. и 1999 г и на II мeждyнapo^ ной конференции по ядерной и радиационной физике (Алмать 1999 г.).

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 11 научных ра-тах, которые опубликованы в материалах конференций: Proc. of : 6 ЕР AC, Stockholm, June 1998; XII Всесоюзного совещания по корителям заряженных частиц (Москва, 1990 г.); XIII и XTV со-щаний по электростатическим ускорителям (Дубна, 1992 и 1994 ; X совещания по электростатическим ускорителям (Обнинск, 91 г.), II международной конференции по ядерной и радиацион-й физике (Алматы, 1999 г.), а также в журнале Physical Review.

Объём и структура работы

Диссертационная работа содержит Введение, три главы, За-ючение и Список использованных источников. Работа содержит 5 страниц, включая 59 рисунков, 6 таблиц и список литературы 75 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены вопросы использования ядерно -[зических методик на ускоренных пучках ионов, а также пара-тры элементов ускорителя, влияющие на качество проводимых зпериментов. Здесь же обоснована актуальность темы, определе-цель и поставлены задачи, сформулированы научные положе-я, представленные к защите.

В первой главе дано краткое описание электростатического здема УКП-2-1. Рассмотрены достоинства ускорителя и ограни-¡шость отдельных его узлов. Трудность перестройки режима ра-ты тандема и недостаточная для проведения качественных экс-риментов стабильность пучка на мишени, предопределили необ-димость модернизации соответствующих элементов и узлов ус-рителя.

Для устранения перечисленных выше недостатков были раз-эотаны: система автоматического питания электростатических

линз, система стабилизации пучка на мишени, блок индикации ос таточной намагниченности поворотного магнита и система питани сканирующего устройства.

Модернизация элементов канала транспортировки лёгких ис нов позволила:

• Автоматически поддерживать положение кроссоверов пучк при изменении энергии ускоренных ионов.

• Стабилизировать положение пучка на мишени во время прове дения экспериментов (стабильность не хуже 3 мм за 8 часо работы).

• Осуществлять оперативную перестройку ускорителя из режим облучения в центральной камере на режим облучения на пр; мом канале (время перестройку уменьшилось с нескольких дс сятков минут до нескольких минут).

• Осуществлять сканирование пучка, улучшив, таким образол однородность облучения мишени (не хуже 5%) и размеры (д 20 мм х 20 мм) облучаемой области.

Всё это позволило повысить качество и надёжность пол) чаемых аналитических результатов.

Вторая глава посвящена рассмотрению вопросов взаимс действия ускоренных ионов с веществом мишени. Достигнув пс верхности мишени, ускоренные ионы, прошедшие весь путь от пс резарядной мишени практически без столкновений, внутри образц взаимодействуют как с ядрами атомов, так и с электронами оболе чек, теряя энергию и меняя направление движения. Как правиле при этом доминируют потери энергии ионом на взаимодействие электронами (возбуждение и ионизация) (с1Е/с1х)е. При взаимодег ствии налетающего иона с ядром мишени могут иметь место: яде}: ные реакции (как резонансные, так и нерезонансные - в зависимс сти от характера поведения сечения реакции), когда ион захватьш ется ядром мишени с испусканием вторичных частиц - продукте реакции; упругое рассеяние первичных частиц; испускание вторич

jix рентгеновских квантов вследствие перехода атома из возбуж-:нного состояния в невозбуждённое.

Анализируя спектры вторичных частиц (рентгеновских кван-)в, обратно-рассеянных ионов, продуктов ядерных реакций), мож-) получить информацию о составе образца и распределении эле-гнтов по глубине.

Использование комплекса ядерно-физических методов на элек-юстатическом тандеме УКП-2-1 для исследования широкого iacca образцов позволило:

Расширить диапазон анализируемых элементов. В настоящее время имеется возможность анализировать в образцах содержание и распределение по глубине элементов с Z>4. Расширить диапазон анализируемой толщины. В настоящее время может быть измерена толщина плёнок и фольг в диапазоне от десятков нанометров до десятков микрон. Исследовать многослойные покрытия и фольги. Измерять содержание в образце изотопов водорода (D. Т). В заключении главы представлены способы вычисления как юдней по образцу концентрации элементов, так и распределение ементов по глубине, исходя из накопленного в анализаторе спек-ia. Анализируются причины, приводящие к погрешностям при [ализе с использованием методов ядерных реакций, Резерфордов-:ого обратного рассеяния и PIXE и пути их уменьшения. Особое шмание, при этом, обращено на воспроизводимость интегрально-выхода у-квантов (в случае резонансных ядерных реакций) и по-оряемость результатов анализа толщины методом RBS. На осно-нии этих исследований удалось оценить погрешности методов >и анализе толщины плёнок.

В третьей главе представлены результаты исследований об-зцов, выполненные с использованием комплекса ядерно-оических методов на тандеме УКП-2-1.

В начале главы описываются мишенные камеры, детекторь спектрометрическое оборудование, используемые на ускорителе при проведении экспериментов.

Большая часть главы посвящена описанию проводимых на ус корителе аналитических работ и рассмотрению полученных ре зультатов.

Бериллий содержащие фольги толщиной от единиц до соте] микрон находят широкое применение в качестве защитных око] рентгеновских детекторов. Окна для детекторов должны быть од нородными по толщине и не должны содержать посторонних при месей (таких как О, С и др.). Магнетронные технологии обеспечи вают сохранение исходной чистоты материала мишеней, поэтом; содержание примесей понижают на этапе подготовки мишеней использованием наиболее эффективных приёмов.

Другим бериллиевым материалом, широко используемым в ка честве специального конструкционного, является бериллиева бронза. Добавление бериллия к меди практически не уменьшает е проводимость, но существенно увеличивает параметры упругости Этот материал широко используют при изготовлении электропро водных упругих подвесок подвижных элементов то коизмерительных цепей.

Получаемые магнетронным осаждением покрытия и фольп нуждаются в проверке на этапе технологических испытаний. Необ ходима информация о структуре, скорости напыления, о равномер ности распределения компонентов по глубине и содержании посто ронних примесей, которые влияют на качество материалов.

Для анализа бериллий содержащих фольг на ускорителе УКП 2-1 использовались методы резонансных ядерных реакций, ядер ных реакций с перераспределением частиц на дейтонном пучке : обратного Резерфордовского рассеяния. Выбор аналитической ме тодики определяется толщиной исследуемой мишени и наличии дополнительных фонообразующих факторов.

Резонансные ядерные реакции из используемых на ускорителе подов анализа имеют, как правило, наилучшее разрешение по убине. На рис. 1 показана кривая выхода реакции от бериллиевой [ёнки, напылённой на медную подложку. Каждая точка соот-тствует интегральному выходу у-квантов из ядерной реакции 1е(р,у)10В в диапазоне 4-7 МэВ для заданной энергии протонно-пучка. Потери энергии протонами в бериллии, вычисленные с »мощью программы TRIM, составляют dE/dx » 40 кэВ/мкм (энер-я протонов 1.1 МэВ). Для вычисления толщины плёнки бериллия ¡пользовалась формула: t = (Ео - ER)-cosO/dE/dx, где t - толщина [ёнки, Ео - энергия первичного пучка, Er - энергия резонанса, IIdx - потери протонного пучка в бериллии, 0 - угол между па-.ющим пучком и нормалью к мишени. Учитывая, что 0 = 0°, ¡едняя толщина плёнки составляет: t = 200 ± 20 нм.

Для анализа содержания бериллия в фольгах толщиной более 1 см на ускорителе УКП-2-1 использовались ядерные реакции с пе-распределением частиц на ускоренном пучке дейтронов. Энергия ютонов - продуктов реакции, как правило, в несколько раз пре-ннает энергию первичного пучка, поэтому метод ядерных реак-ш с перераспределением частиц уступает в разрешении по глуби: методам RBS и резонансным ядерным реакциям. Однако, по ой же причине, ядерные реакции с перераспределением частиц ляются хорошим дополнением методам RBS и резонансных ;ерных реакций, увеличивая толщину, доступных для анализа [ёнок.

На рисунках 2 и 3 представлены спектры вторичных протонов, щученные при облучении фольги бериллиевой бронзы до и после жига дейтронным пучком с энергией 1 МэВ. Для анализа распре-ления бериллия в фольгах был выбран канал 9Be(d,po)l(lBc. Энер-я вторичных протонов при этом для выбранной геометрии экспе-[мента и энергии дейтронов составляла ~4.2 МэВ.

Как следует из рис. 2, на поверхности образца присутствует [ёнка толщиной ~ 3 мкм, содержание бериллия в которой в не-

сколько раз превышает содержание бериллия в глубинных слоях Спектр, изображённый на рис. 3 иллюстрирует влияние отжига 1 вакуумной печи при температуре 700°С в течение двух часов на од нородность распределения бериллия в фольге. Как следует из рис.3 в результате термодиффузии избыток бериллия на поверхност! фольги перераспределился по глубине образца.

Для вычисления концентрации бериллия в неизвестном об разце использовалась формула:

Уи-(ёЕ^х)и/(У5-(ёЕ/ёх)5) = Си/С5, (1)

где Уи и У5 - число зарегистрированных частиц для неизвестной образца и стандарта соответственно, Си и С5 - концентрация опре деляемого элемента для неизвестного образца и стандарта соответ ственно, (с1Е/с1х)5 и (с1Е/с!х)и - потери энергии первичного пучка ] стандартном и неизвестном образцах соответственно. При этом ] качестве стандарта использовался бериллиевый катод, имеющш общее содержание примесей не более 0.1 ат.%.

Для анализа распределения бериллия в фольгах толщиной от -400 нм до ~5 мкм на ускорителе УКП-2-1 использовался метод Ре зерфордовского обратного рассеяния. ИББ, уступая в некоторы: случаях методу резонансных ядерных реакций в разрешении п( глубине, тем не менее зачастую является единственным возмож ным методом анализа распределения элементов по глубине в при поверхностных слоях мишени. Метод наиболее применим при ана лизе распределения тяжёлых элементов в лёгкой матрице, так как : этом случае он имеет наибольшую чувствительность. В то же врем, метод обратного рассеяния может быть использован для получени. профиля распределения по глубине лёгких матричных элементов.

На рис. 4 показан спектр упруго рассеянных протонов, по лученный при облучении образца алюмобериллия протонным пуч ком с энергией 700 кэВ. Выбор энергии первичного пучка в это? случае определялся наличием резонансных 9Ве(р,у)10В ядерны: реакций с энергиями резонанса 1084 кэВ и 991 кэВ. Учитывая, чт< сечение обратного рассеяния протонов на ядрах бериллия сравним!

сечением ядерных реакций, это может привести к дополиитель-им погрешностям при вычислении концентрации бериллия в об-1зце. Поэтому была выбрана энергия ниже резонансной. Разрешение алюминия и бериллия в образце, вычисленное с помощью эограммы RUMP, показано на рис. 5.

В настоящее время в институте разрабатывается технология шучения плёнок нитрида ниобия и нитрида циркония путём агнетронного осаждения ниобия и циркония в атмосфере азота на гдную или алюминиевую подложку. Подложка придаёт фольге ¡обходимую прочность и гибкость. Параметрами плёнок NbN и "N, которые необходимо контролировать при отработке техполо-:и являются толщина слоя нитрида ниобия и соотношение в нём юбия и азота. Выбор толщины напыляемого слоя определяется ¡умя факторами: 1. Необходимо по возможности уменьшить рас->д ниобия и циркония для уменьшения себестоимости изделия 2. шылённая плёнка нитрида ниобия должна выдерживать макси-шьную плотность тока, оставаясь в состоянии сверхпроводимо-и. Соотношение между ниобием и азотом, а также цирконием и отом влияет на фазовый состав плёнок, что является оиределяю-;ш при получении сверхпроводников.

Рис. 6 иллюстрирует возможность измерения толщины ёнки NbN, осаждённой на алюминиевую подложку, по сме-;нию энергии резонанса реакции 27Al(p,y)28Si с Er = 992 кэВ и уриной резонанса Г « 50 эВ. При этом в каждой точке интег-ровались у-кванты в диапазоне 6-г8 МэВ. Смещение энергии ре-нанса на dE я 6.5 кэВ связано с потерей энергии прогонами в ёнке NbN. Глубина и энергия налетающего пучка связаны соот-шением:

Е0 = Er + (dE/dx)-x/cos9, (2)

2 0 - угол между падающим пучком и нормалью к мишени, пользуя формулу (2), можно вычислить толщину плёнки: 79 ± 8 нм.

На рис. 7 показан спектр упруго рассеянных протонов, по лученный при облучении образцов NbN-Nb-Cu протонным пучкол с энергией 1.2 МэВ. Условия получения образца: 20 мин. напыле ния Nb, 40 мин. напыления Nb+N , давление азота в камере 3.5-10" Topp. Распределение Nb, N и Си в образце, полученное с помощьк программы RUMP, представлено на рис. 8. Особенности анализ; плёнок NbN и ZrN методом RBS определяются большой разницей масс Nb (Zr) и N. В связи с этим профиль по глубине может был получен лишь исходя из анализа распределения концентрации тяжёлых элементов. В то же время наличие подслоя ниобия может привести к дополнительным погрешностям при описании спектра.

Помимо протонного пучка для анализа плёнок нитрида ниобш и нитрида циркония использовался пучок ускоренных дейтронов На рис. 9 показан RBS спектр, полученный при облучении дейтронами с энергией 950 кэВ плёнки нитрида ниобия, напылённой маг-нетронным методом на медную подложку с прослойкой нитриде титана. Распределение элементов по глубине в образце, полученное с помощью программы RUMP, показано на рис. 10.

Национальный ядерный центр PK и Институт ядерной физики проводят работы по радиоэкологическому мониторингу объекте «Лира» и прилегающих к нему территорий Карачаганакского нефтегазового месторождения. Основной причиной ухудшения радиоэкологической ситуации может быть разгерметизация технологических полостей и попадание продуктов ядерных взрывов и продуктов взаимодействия мощных потоков ионизирующего излучения с веществом породы в грунтовые воды. Одним из таких продуктов является дейтерий. Учитывая высокие миграционные свойства изотопов водорода, анализ содержания дейтерия может служить надёжным индикатором миграции радиоактивных ядер и позволит прогнозировать степень загрязненности в областях удалённых от эпицентра взрыва. С этой целью на ускорителе УКП была поставлена методика анализа соотношения изотопов водорода в образ-

ах воды, взятых из контрольных скважин, на дейтронном пучке с пользованием ядерной реакции D(d,p)T.

В диссертации подробно описывается тип используемой ми-ени, принципы выбора оптимального угла детектирования и 1ергии первичного пучка. В экспериментах ядерная реакция на 1слороде I60(d,po)170 использовалась в качестве «внутреннего •андарта». Таким образом, выход протонов из реакции D(d,p)T )рмировался на выход протонов из реакции 160(d,po)170. Это дает »зможность избежать влияния на результат ошибок в измерении 1ка пучка и малых изменений геометрии эксперимента.

Анализ образцов с неизвестным содержанием дейтерия произ->дился с помощью метода стандартных образцов. Для этого были »иготовлены и измерены стандартные образцы воды с различным отношением D/H. Стандартные образцы готовились путем раз-вления 99% тяжёлой воды дистиллированной водой. На основа-[и предварительной оценки содержания дейтерия в образцах, :апазон концентраций стандартных растворов был выбран от 0% панк - дистиллированная вода) до 0.05% D/H. Исходя из изме-нных шести стандартов, по методу наименьших квадратов была строена калибровочная кривая, показанная на рис. 11. Точка пе-сечения калибровочной кривой с осью х соответствует фоновой вивалентной концентрации дейтерия в воде. Фоновая эквива-нтная концентрация дейтерия в бланковом растворе соответству-естественной распространенности этого изотопа в природе и со-1вляет -0.017% по отношению к основному изотопу.

На основании полученной калибровочной кривой были про-ализированы 6 неизвестных образцов воды из контрольных зажин объекта «ЛИРА». Образцы были предварительно обес-тены и обезгажены. Результаты измерений представлены на рис. . Отклонений содержания дейтерия, превышающих погрешность лерений, от естественного уровня не обнаружено.

Колебание содержания дейтерия в различных природных И( точниках довольно велико и лежит в диапазоне 0/Н=0.018± 0.004 %, что значительно больше ожидаемой точности метода. О; нако, при постоянном мониторинге одних и тех же объектов можн ожидать более стабильной ситуации и, в этом случае, превышен* постоянно наблюдаемой концентрации дейтерия в воде на велич! ну порядка 10 % может служить сигналом о возможной радиоэкс логической аварии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных работ были получены следующие езультаты:

1. Благодаря модернизации отдельных узлов и систем канала оанспортировки пучка удалось:

Автоматически поддерживать положение кроссовера пучка при изменении энергии ускоренных ионов.

Стабилизировать положение пучка на мишени во время проведения экспериментов (стабильность не хуже 3 мм за 8 часов работы).

Осуществлять оперативную перестройку ускорителя из режима облучения в центральной камере на режим облучения на прямом канале (время перестройку уменьшилось с нескольких десятков минут до нескольких минут).

Осуществлять сканирование пучка, увеличив таким образом однородность облучения мишени (не хуже 5%) и размеры (до 20 мм х 20 мм) облучаемой области.

Всё это позволило улучшить качество и надёжность по-■чаемых результатов.

2. Разработан дополнительный канал транспортировки пучка.

3. Разработан комплекс (Р1ХЕ, ИББ, ядерные реакции) ядерно-1зических методов анализа на ускоренных пучках заряженных стиц.

4. Используя методы ядерных реакций и Резерфордовского об-тного рассеяния, исследованы бериллий содержащие плёнки в апазоне глубин от десятков нанометров до единиц микрон.

5. Используя методы ядерных реакций и Резерфордовского об-гного рассеяния, исследованы нитрид-ниобиевые и нитрид-ркониевые плёнки в диапазоне глубин от десятков нанометров единиц микрон.

6. Поставлена методика анализа степени диффузии никеля в дную подложку при отжиге.

7. С использованием метода стандартных образцов измерен содержание дейтерия (D/H) в замороженных образцах воды, взяты из контрольных скважин Карачаганакского нефте-газового местс рождения.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

А.А. Arzumanov, A.N. Borisenko, I.D. Gorlachev, S.N. Lysukhin "Improvements of heavy ion accelerator UKP 2-1" Proc. of the XIII particle accelerator conference, Dubna, Russia, 13-15 October 1992, v. 1, p. 118-121.

Голубев В.П., Иванов A.C., Латманизова Г.М., Модэк А.И., Никифоров С.А., Пикалёв А.С., Свиньин М.П., Субботкин С.А., Арзуманов А.А., Баядилов Е.М., Горлачёв И.Д., "Ускорительный комплекс тяжёлых ионов УКП-2-1", Труды XII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Москва, 1990 г., стр. 139- 142.

Горлачёв И.Д., Лысухин С.Н., "Система автоматического регулирования линз - корректоров перезарядного ускорителя УКП 2-1", Труды X совещания по электростатическим ускорителям, Обнинск, 1991 г., стр. 232 - 234.

Арзуманов А.А., Борисенко А.Н., Горлачёв И.Д., Лысухин С.Н., "Улучшение энергетических характеристик тандема в Алма-Ате ", Труды XIV совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1994 г., стр. 65 - 68.

Арзуманов А.А., Борисенко А.Н., Горлачёв И.Д., Лысухин С.Н., Платов А.В.," Улучшение стабильности напряжения каскадного генератора ускорителя УКП-2-1", Труды XI совещания по электростатическим ускорителям, Обнинск, 1995 г., стр. 222 - 228.

G.Belyaev, M.Basco, A.Cherkasov, A.GoIubev, A.Fertman, I.Roudscoy, S.Savin, B.Sharkov, V.Turticov (ITEP, Moscow) A.Arzumanov, A. Borisenko, I. Gorlachev, S. Lysukhin (INP, Alma-Ata) D.H.H. Hoffman, A. Tauschwitz (GSI, Darmstadt) "Measurement of Coulomb energy losses by fast protons in a plasma target" Phys. Rev. E 53, N 3, 2701 (1996).

Arzumanov A., Borisenko A., Gorlachev L, Elissev A., Lysuchin S., Platov A., Tuleushev A., "Application of electrostatic tandem in

Almaty for analysis of béryllium foils and radioactive particulates" Proc. of the 6 EPAC, Stockholm, June 1998, p.2433 - 2435.

8 Арзуманов A.A., Борисенко A.H., Горлачёв И.Д., Лысухин С.Н. Платов А.В., "Особенности формирования микропучка на тан деме в Алма-Ате", Труды XII совещания по электростатически ускорителям, Обнинск, 1997 г., стр. 81 - 85.

9 Керимов Э.А., Верещак М.Ф., Горлачёв И.Д., Кадыржанов К.К. Тулеушев Ю.Ж., Туркебаев Т.Э., "Изучение термической берил лизации армко-железа методами ЯГР, РОР и рентгенографии" Тезисы докладов 2-ой международной конференции по ядерно! и радиационнй физики, 1999 г., стр. 260.

ЮБеккерман М.И., Борисенко А.Н., Горлачёв И.Д., Елисеев А.С. Лысухин С.Н., Платов А.В., "Экспериментальные работы, про' водящиеся на тандеме в Алматы", Труды 2-ой международна; конференции по ядерной и радиационной физике, Алматы, 19% г., стр. 193-209.

11 Пунин В.Т., Абрамович С.Н., Бузоверя М.Э., Чулков В. В (ВНИИЭФ),Горлачёв И.Д., Лысухин С.Н. (КЯФ НЯЦ РК), Ша-балин В.Н., Шатохина С.Н. (РНИИГ РФ), " Элементный анали: биожидкостей методом протонного микрозондирования", Трудь: 2-ой международная конференции по ядерной и радиационной физике, Алматы, 1999 г., стр. 226-236.

Кривая выхода резонансной реакции 9Ве(р,у)'°В. Ек=1084 кэВ, Г = 3.8 кэВ.

5000 -з

4000 г

3000

2000 ■:

1000'

I I I | М I I I

||||||||||||||||||||1|||||||>|),|

1070 1080 1090 1100 1110

Энергия протонного пучка (кэВ)

1120

Рисунок 1

Спектр вторичных протонов для образца бериллиевой бронзы до отжига.

12 2.3 2.8 з.з 3.2

Энергия вторичных протонов (МэВ)

4.3

Рисунок 2-

Спектр вторичных протонов для образца бериллиевой бронзы после отжига.

200 180 ■

У

13 23 2.8 3.3 3-Е

Энергия вторичных протонов (МэВ)

43

Рисунок 3

ГШ Б спектр, полученный при облучении образца А1+Ве протонным пучком с энергией 700 кэВ.

Энергия протонов (кэВ)

Рисунок 4

80 70 60 50 40 30 20 -■ 10

0

А1

1-4

1000 2000 3000

Глубина. (нм)

4000

5000

о

Рисунок 5

Кривые выхода реакции А1(р,у) Б! для плёнки МэК, напылённой на алюминиевую подложку и алюминиевой мишени.

994 998

Энергия протонного пучка (кэВ)

Рисунок 6

ИЗБ спектр, полученный при облучении образца НЬИ-ИЬ-Си протонным пучком с энергией 1.2 МэВ.

3000 •-

2500 ■-

5 2000 ■-

¡3

3 15СО •-

W

е

I* 1000 •-

А

500 •

о • ,-

910 970 1030 1090 И 50

Энергия детектируемых протонов (кэВ)

Рисунок 7

Рисунок 8

ИББ спектр, полученный при облучении образца МЬЫ - Т^Ы - Си дейтронами с энергией 950 кэВ.

Энергия детектируемых дейтронов (кэВ)

Рисунок 9

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Глу&ОШ 0(м)

Рисунок 10

Рисунок 11

Относительная концентрация дейтерия (D/H) в образцах воды, отобранных на Карачаганакском месторождении.

0,019 - М+а

С ,018 •

с

о 0.017 • М

с. 0,016

(V О) Ч 0.015 - М-а

к 3 « 0,014 •

EL Z 0,013 •

О) Э" Z 0.012 •

sc: 0,011 • 0.01

0 1 2 3 4 5 6

Номер образца

М - среднее значения отношения 1п1:(0)/1п1:(В), ст - средне квадратичное отклонение. Образец N 1 - скважина КИ 4, глубин 30 м; образец N 2 - скважина КИ 4, глубина 100 м; образец N 3 скважина КИ 4, глубина 272 м; образец N 4 - скважина КЫ 12, гл> бина 70 м; образец N 5 - скважина КТ\1 12, глубина 500 м; образец Т 6 - скважина КК 12, глубина 1000 м.

Рисунок 12

ЭЛЕКТРОСТАТИКАЛЫК ТАНДЕМ НЕГ131НДЕ ТАЛДАУДЫН, ЯДРОЛЫК - ФИЗИКАЛЬЩ ЭД1СТЕР КЕШЕНШ Э31РЛЕУ

Бул ецбекте удетшген протон жэне дейтрон шоктарында КП' -2-1 удеткшшде даярланган талдаудьщ ядролык-изикалык эдютер (PIXE, RBS, ядролык реакциялар) кешеш :ынылган.

Бериллийден гуратын фольгаларда, сондай-ак NbN жэне г жука кабыгында элементтердщ калындыгы мен теренджке iecTipmyiH талдау ушш осы кешен пайдаланылды.

1424 КэВ резонанс энергиясы бар, резонанс еш 50 эВ Mi(p,Y)59Cu резонансты ядролык реакциянын, кемепмен ваку-.щык. кущцру кезшде мыс тесешшше никельдщ диффузия те-:ндт аныкталды.

Карашаганак мунай - газ кен орныныд бакылау 'ыстыктарынан алынган су улгтерше юретш дейтерий тал-1уына D(d, р)Т ядролык реакция пайдаланылды.

Осы ецбекте удетшген иондар шогындагы талдау ерек-елжтер1 жэне сонымен 6ipre пайда болушы кателжтер /йелеп баяндалган.

Журпзшген эксперименттер сапасы мен сешмдшгш арт-ipy yuiiH шокты тасымалдау арнасыньщ 6ipcbinbipa элемен-epi мен жуйелерш жацгыртып жет1лд1ру керек болды.

DEVELOPMENT OF NUCLEAR - PHYSICAL METHODS COMPLEX ON THE BASE OF ELECTROSTATIC TANDEM

Results of development of electrostatic tandem based complex nuclear - physical techniques (PIXE, RBS, NRA) are described.

These techniques was used for analysis of thickness and elemei depth distribution in the Be, NbN and ZrN foils and films.

Diffusion depth of Ni into Cu backing was determined by usi: nuclear reaction ^N^p.y^Cu (resonance energy is 1424 keV ai resonance width is 50 eV).

Ratio of D2O content to H2O content in water samples taken fro the Karachaganak oil-gas deposit was determined by using D(d,p)' nuclear reaction.

Peculiarities of accelerator based analysis are described.

Upgrading of beam transportation system was performed f raising of experiments quality and reliability.