Аналітичний прискорювальний комплекс

Аналітичний прискорювальний комплекс створений на базі компактного електростатичного прискорювача ІПФ НАН України дозволяє вивчати структуру та склад різноманітних матеріалів за допомогою методу резерфордівського зворотнього розсіяння, детектування протонів віддачі, резонансних ядерних реакцій, PIXE, йонної люмінесценції. Технічних характеристик та методичного забезпечення прискорювального комплекса достатньо для прикладних та фундаментальних досліджень в різноманітних областях науки та інженерії.

Аналітичний прискорювальний комплекс створений на базі компактного електростатичного прискорювача ІПФ НАН України дозволяє вивчати структуру та склад різноманітних матеріалів за допомогою методу резерфордівського зворотнього розсіяння, детектування протонів віддачі, резонансних ядерних реакцій, PIXE, йонної люмінесценції. Технічних характеристик та методичного забезпечення прискорювального комплексу достатньо для прикладних та фундаментальних досліджень в різноманітних областях науки та інженерії.

До складу аналітичного комплексу входять:

• компактний електростатичний прискорювач горизонтального типу  "Сокіл";
• система транспортування пучка (СТП) з аналізуючим магнітом  (AM), розподвльним магнітом  (РM), та іонопроводами;
• скануючий йонний мікрозонд (СІМ);
• канал резерфордівського зворотнього розсіяння (РЗР);
• канал ядер віддачі (ЯВ);
• канал ядерних реакцій (ЯР);
• канал йонної люмінесценції (ІЛ);
• додаткове обладнання  (система подачі газу, система охолодження, вакуумний пост, і т.д.)

 Загальний вид аналітичного прискорювального комплексу ІПФ НАН України

Універсальні експериментальні камери, електрофізична апаратура та програмне забезпечення аналітичних каналів дають можливість проводити експрес дослідження з високою роздільною здатністю, а також з використанням основих та додаткових ядерно-фізичних методів.

Електростатичний прискорювач

Прискорювальний комплекс створений на базі компактного електростатичного прискорювача горизонтального типу "Сокіл". Характеристики прискорювача:

тип йонів	Н+, Не+
енергія часток	MэВ 0.3-2.0
енергія однорідності пучка, %	0.08
струм пучка протонів, µA	до 50
режим роботи	безперервний
масс, т	3.0

В процесі створення та експлуатації прискорювального комплексу його конструкція була вдосконалена. Зокрема, високочастотне йонне джерело було обладанане системою постійних магнітів для ущільнення плазми.  Для попередження аварійних ситуацій під час експлуатації транспортера зарядів прискорювача була розроблена та смонтована система контролю прогибу високовольтної колони. Система зарядки високовольтного кондуктора була модернізована для того, щоб зменшити нестабільність високої напруги, що вносить смуга. Була також розроблена система пригнічення радіаційного опромінення компактонго прискорювача. Nd-Fe-B постійні магніти встановлені вздовж прискорюючої трубки зменшують дозу радіації вдвічі.

Система транспортування пучка

Система транспортування пучка прискорювального комплексу складається з камери моніторинга пучка  (1), електромагнітних коректорів траєкторії пучка (2), двох дублетів квадрупольних електростатичних лінз (3), магнітного аналізатора (4), вхідного та вихідного щільового пристроїв магнітного аналізатора(5, 6), вхідного пристрою розподільного магніту  (7), розподільного магніту (8), системи відкачки на вакуум (9) з вакуумними засувками (10). На вході в розподільний магніт система транспортування пучка забезпечує струм протонів до  5 μA зі стабільністю енергії не менше 0.08-0.1%. Розмір пучка складає 5x5 мм. Вакуум в системі забезпечується вакуумними постами виконаними за двоступінчатою схемою. Попередній вакуум створюється форвакуумними насосами  LEYBOLD-HERAEUS D16A з продуктивністю 7,5 л/с. Високий вакуум підтримується турбомолекулярними насосами EYBOLD-HERAEUS TURBOVAC 450 з продуктивністю  450 л/с та магніторозрядним насосом Норд-400. Вакуумна система забезпечує вакуум 104 ÷105 Pa за 20-30 хв. в іонопроводах.

Аналітичні канали

Прикскорюючий комплекс ІПФ НАН України має п’ять аналітичних каналів: канал скануючого йонного мікрозонда  (СІМ), канал резерфордівського зворотнього розсіяння (РЗР), канал ядер віддачі  (ВЯ), канал ядерних реакцій (ЯР), та канал йонної люмінесценції (ЙЛ). Все додаткове   обладнання для цих каналів було розроблено та створено за останні десять років співробітниками ІПФ НАН України. Особливістю прискорювального комплексу є три канали, що відповідають світовим стандартам. Технічні характеристики цих установок наведені нижче.

Скануючий йонний мікрозонд

 

Загальний вид скануючого йонного мікрозонда

Технічні характеристики СІМ:

тип йонів	Н+, Не+
енергія, MеВ	1.5 ÷ 1.8
струм на мішені, pA	10 ÷ 1000
просторова роздільна здатність (при струмі на мішені  200 pA), мікрон	1 ÷ 2
аналітичні методи	IXE, RBS, ERDA,SEE

 Канал резерфордівського зворотнього розсіяння

Канал обладаний магнітним спектрометром, що реєструє енергію пружньо розсіяних часток з роздільною здатністю 3÷4 kеВ. Це дозволяє вивчати плівки з товщиною від декількох нанометрів до декількох мікрон.

Загальний вид каналу резерфордівського зворотнього розсіяння (РЗР)

Застосування: вивчення структури та складу плівкових покриттів конструкційних матеріалів. Характеристики РЗР:

тип йонів	Н+, Не+
енергія, MеВ	1.5 ÷ 1.8
струм на мішені,  pA	10 ÷ 1000
енергетична роздільна здатність  ΔE/E	3.2×10-3
аналітичні методи	RBS

 

Канал ядер віддачі

Застосування: неруйнівний якісний аналіз вмісту водню в матеріалах на основі методу ядер віддачі. Крім цього, канал може використовуватися для РЗР методу із зворотніми плаваючими  кутами   (для РЗР методу можливий прискорений пучок  Н+). Характеристики каналу ядер віддачі:

тип  йонів	Не+, Н+
енергія,MеВ	1.5 ÷ 1.8
струм на мішені, нA	10 ÷ 1000
енергетична роздільна здатність ΔE/E (при енергії пучка Не+ = 1500 kеВ), kеВ	1.5×10-3 1.5
аналітичні методи	ERDA, RBS
межа виявлення водню	1÷10 ppm

Функціонально канал ядер віддачі складається з іонопровода, камери розсіяння та електростатичного спектрометра. Іонопровід має систему відкачки, що забезпечує вакуум на рівні  10-6Па, а також систему моніторинга пучка. Камера взаємодії являє собою вакуумну камеру  VT118. Вона обладнана системою вакуумної відкачки , що забезпечує вакуум на рівні 10-7 Па, що виключає органічне забруднення зразків під час дослідження, а також механізмом переміщення мішеней.  Надвисоковакуумні умови у камері забезпечуються за допомогою розташованого безпосередньо у камері семисекційного магніторазрядного вакуумного насосу, сублімаційного вакуумного насосу та "азотної пастки". Спеціальний механізм дозволяє переміщати мішені за трьома координатами з точністю 10 мікрон та здійснювати поворот навколо вертикальної вісі на 360° з точністю 0,5°. Конструкція камери розсіяння забезпечує можливість її розвертання навколо вертикальної вісі на кути від 0° до 135°. Це дозволяє проводити на каналі експерименти як по малокутовому, так і по зворотньому розсіянню. Крім того передбачено установлення додаткового обладнання  (у тому числі і детекторів: заряджених часток, ХРИ, гама випромінювання ). Особливістю каналу є прецизійний електростатичний спектрометр з енергетичною роздільною здатністю ΔE/E 1.5×10-3. Спектрометр має координатно-чутливий детектор, автоматизовану систему управління та збору даних. Обладнання було поставлене в ІПФ НАН України з Інституту дослідження металів Макса Планка (Max-Plank-Institute for Metals Research, Stuttgart, Germany)

Загальний вид електростатичного спектрометра в каналі ядер віддачі

Канал також використовується для вивчення домішок та дефектів за допомогою методу каналювання заряджених часток. Кришка разом з автоматичним гоніометром закріплена на камері розсіяння. Гоніометр має п’ять ступенів свободи (дві обертальні та три поступальні). Обертальна ступінь свободи автоматизована за допомогою крокового двигуна , що контролюється комп’ютером. Крок руху мішені складає 0.01 , що дозволяє автоматично виконувати кутове сканування біля обраних кристалографічних вісей. Поступальні ступені свободи використовуються для позиціонування зразка та контролюються руками. Система автоматизації експерименту та збору даних базується на універсальному програмно-апаратному комплексі (UPAK) розробленому в Інституті прикладної фізики НАН України, що складається з набору сенсорів, модуля для реєстрації та передачі даних, мережевого комутатора, контролюючого модуля та приладу для візуалізації та аналізу даних, тобто, в загальному випадку, персонального комп’ютера та спеціального програмного забезпечення.

Загальний вид кришки камери розсіяння з автоматичним гоніометром

 

Канал йонної люмінесценції

Застосування: ідентифікація та характеристика неорганічних матеріалів; вивчення радіаційних пошкоджень. Характеристика каналу йонної люмінесценції:

тип йонів	Не+, Н+
енергія, MеВ	0.5 ÷ 1.8
струм на мішені, нA	10 ÷ 1000
робочий діаіпзон довжин хвиль	200...800 нм
зворотня лінійна дисперсія	3...4 нм/мм
аналітичний метод	IBIL

 

 Загальний вид каналу йонної люмінесценції