Аналитический комплекс созданный на базе компактного электростатического ускорителя ИПФ НАН Украниы позволяет изучать структуру и состав различных материалов с помощью метода hезерфордовского обратного рассеяния, детектирования протонов отдачи, резонансных ядерных реакций, PIXE, ионной люминесценции. Технических характеристик и методического обеспечения ускорительного комплекса достаточно для прикладных и фундаментальных исследований в различных областях науки и инженерии.
В состав аналитического ускорительного комплекса входят:
- компактный электростатический ускоритель горизонтального типа "Сокол";
- система транспортировки пучка (СТП) с анализирующим магнитом (AM), распределяющим магнитом (РM), и ионопроводами;
- сканирующий ионный микрозонд (СИМ);
- канал резерфордовского обратного рассеяния (РОР);
- канал ядер отдачи (ЯО);
- канал ядерных реакций (ЯР);
- канал ионной люминесценции (ИЛ);
- дополнительное оборудование (система подачи газа, система охлаждения, вакуумный пост, и т.д.)
Общий вид аналитического ускорительного комплекса ИПФ НАН Украины
Универсальные экспериментальные камеры, электрофизическая аппаратура и программное обеспечение аналитических каналов дают возможность проводить экспресс исследования с высоким разрешением, а также с использованием основных и вспомогательных ядерно- физических методов.
Электростатический ускоритель
Ускорительный комплекс создан на базе компактного электростатического ускорителя горизонтального типа "Сокол". Характеристики ускорителя:
| тип ионов |
Н+, Не+ |
| энергия частиц |
MэВ 0.3-2.0 |
| энергия однородности пучка, % |
0.08 |
| ток пучка протонов, µA |
до 50 |
| режим работы |
беспрерывный |
| масса, т |
3.0 |
В процессе создания и эксплуатации ускорительного комплекса его конструкция была усовершенствована. В частности, высокочастотный ионный источник был оборудован системой постоянных магнитов для уплотнения плазмы. Для предотвращения аварийных ситуаций во время эксплуатации транспортера зарядов ускорителя была разработана и смонтирована система контроля прогиба высоковольтной колонны. Система зарядки высоковольтного кондуктора была модернизирована для того, чтобы уменьшить нестабильность высокого напряжения вносимого лентой. Была также разработана система подавления радиациационного излучения компактного ускорителя. Nd-Fe-B постоянный магниты установленные вдоль ускорительной трубки уменьшают дозу радиации в два раза.
Система транспортировки пучка
Система транспортировки пучка ускорительного комплекса состоит из камеры мониторинга пучка (1), электромагнитных корректоров траектории пучка (2), двух дублетов квадрупольных электростатических линз (3), магнитного анализатора (4), входящей и выходящей щелей магнитного анализатора (5, 6), входящей щели распределяющего магнита (7), распределяющего магнита (8), вакуумной всасывающей системы (9) с вакуумным вентелем (10). На входе в распределяющий магнит система транспортировки пучка обеспечивает ток протонов до 5 μA со стабильностью энергии не менее 0.08-0.1%. Размер пучка составляет 5x5 мм. Вакуум в системе обеспечивается вакуумными постами выполненными по двухступенчатой схеме. Предварительный вакуум создаётся форвакуумными насосами LEYBOLD-HERAEUS D16A производительностью 7,5 л/с. Высокий вакуум поддерживается турбомолекулярными насосами EYBOLD-HERAEUS TURBOVAC 450 производительностью 450 л/с и магниторазрядным насосом Норд-400. Вакуумная система обеспечивает вакуум 10 4 ÷10 5 Pa за 20-30 мин. в ионопроводах.
Аналитические каналы
Ускорительный комплекс ИПФ НАН Украины включает пять аналитических каналов: канал сканирующего ионного микрозонда (СИМ), канал резерфордовского обратного рассеяния (РОР), канал отдачи ядер (ОЯ), канал ядерных реакций (ЯР), и канал ионной люминесценции (ИЛ). Все дополнительное оборудование для этих каналов было разработано и создано за последние десять лет сотрудниками ИПФ НАН Украины. Отличительной особенностью ускорительного комплекса является три канала соответствующие мировым стандартам. Технические характеристики этих установок приведены ниже.
Сканирующий ионный микрозонд
Общий вид сканирующего ионного микрозонда
Технические характеристики СИМ:
| тип ионов |
Н+, Не+ |
| энергия, MэВ |
1.5 ÷ 1.8 |
| ток на мишени, pA |
10 ÷ 1000 |
| пространственное распределение (при токе на мишени 200 pA), микрон |
1 ÷ 2 |
| аналитические методики |
IXE, RBS, ERDA,SEE |
Канал резерфордовского обратного рассеяния
Канал оборудован магнитным спектрометром, который регистрирует энергию упруго рассеянных частиц с разрешением 3÷4 kэВ. Это позволяет изучать пленки с толщиной от нескольких нанометров до нескольких микрон.
Общий вид канала резерфордовского обратного рассеяния (РОР)
Применение: изучение структуры и состава пленочных покрытий конструкционных материалов. Характеристики РОР:
| тип ионов |
Н+, Не+ |
| энергия, MэВ |
1.5 ÷ 1.8 |
| ток на мишени, pA |
10 ÷ 1000 |
| разрешение по энергии ΔE/E |
3.2×10-3 |
| аналитические методики |
RBS |
Канал ядер отдачи
Применение: неразрушающий качественный анализ содержания водорода в материалах на основе метода ядер отдачи. Кроме этого, канал может использоваться для РОР методики с обратными и скользящими углами (для РОР методики возможен ускоренный пучок Н+). Характеристики канала ядер отдачи:
| тип ионов |
Не+, Н+ |
| энергия,MэВ |
1.5 ÷ 1.8 |
| ток на мишени, нA |
10 ÷ 1000 |
|
разрешение по энергии ΔE/E
(при энергии пучкаНе+ = 1500 kэВ), kэВ
|
1.5×10-3
1.5
|
| аналитические методики |
ERDA, RBS |
| предел обнаружения водорода |
1÷10 ppm |
Функционально канал ядер отдачи состоит из ионопровода, камеры рассеяния и электростатического спектрометра. Ионопровод оснащен системой откачки, обеспечивающей вакуум на уровне 10-6Па, а также системой мониторинга пучка. Камера взаимодействия представляет собой вакуумную камеру Varian VT 118. Она оснащена системой вакуумной откачки обеспечивающей вакуум на уровне 10-7 Па, что исключает органическое загрязнение образцов во время исследований, а также механизмом перемещения мишеней. Сверхвысоковакуумные условия в камере обеспечиваются при помощи расположенного непосредственно в камере семисекционного магниторазрядного вакуумного насоса, сублимационного вакуумного насоса и “азотной ловушки”. Специальный механизм позволяет перемещать мишени по трем координатам с точностью 10 микрон и осуществлять поворот вокруг вертикальной оси на 360° с точностью 0,5°. Конструкция камеры рассеяния обеспечивает возможность ее разворота вокруг вертикальной оси на углы от 0° до 135°. Это позволяет проводить на канале эксперименты как по малоугловому, так и по обратному рассеянию. Кроме этого предусмотрена установка дополнительного оборудования (в том числе и детекторов: заряженных частиц, ХРИ, гамма излучения). Особенностью канала является прецизионный электростатический спектрометр с энергетическим разрешением ΔE/E 1.5×10-3. Спектрометр оснащен координатно-чувствительным детектором, автоматизированной системой управления и сбора данных. Оборудование было поставлено в ИПФ НАН Украины из Института исследования металлов Макса Планка (Max-Plank-Institute for Metals Research, Stuttgart, Germany)
Общий вид электростатического спектрометра в канале отдачи ядер
Канал также используется для изучения примесей и дефектов с помощью метода каналирования заряженных частиц. Крышка вместе с автоматическим гониометром закреплена на камере рассеяния. Гониометр обладает пятью степенями свободы (две вращательные и три поступательные). Вращательная степень свободы автоматизирована с помощью пошагового двигателя, который контролируется компьютером. Шаг движения мишени составляет 0.01 , что позволяет автоматически выполнять угловое сканирование в окрестностях выбранных кристаллографических осей. Поступательные степени свободы используются для позиционирования образца и контролируются вручную. Система автоматизации эксперимента и сбора данных основана на универсальном программно-аппаратном комплексе (UPAK) разработанном в Институте прикладной физикик НАН Украины, которое состоит из набора сенсоров, модуля для регистрации и передачи данных, сетевого коммутатора, контролирующего модуля и прибора для визуализации и анализа данных, то есть, в общем случае, персонального компьютера и специального программного обеспечения.
Общий вид крышки камеры рассеяния с автоматическим гониометром
Канал ионной люминесценции
Применение: идентификация и характеристика неорганических материалов; изучение радиационных повреждений. Характеристика канала ионной люминесценции:
| тип ионов |
Не+, Н+ |
| энергия,MэВ |
0.5 ÷ 1.8 |
| ток на мишени, нA |
10 ÷ 1000 |
| рабочий диапазон длин волн |
200...800 нм |
| обратная линейная дисперсия |
3...4 нм/мм |
| аналитическая методика |
IBIL |
Общий вид канала ионной люминесценции
