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Ein verfahren zur herstellung dünner polyäthylenfolien für (n, p)-radiatoren
NUCLEAR
INSTRUMENTS
AND
METHODS
21
(1963)
353-354;
NORTH-HOLLAND
PUBLISHING
CO.
EIN VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DONNER POLYATHYLENFOLIEN F~R (n, p)-RADIATOREN G. B I R K H O F F
Zentralinslitut ]iir Reaktore~perimente der Kern/orschungsanlage f i~lich E i n g e g a n g e n 13. S e p t e m b e r 1962
A m e t h o d for p r e p a r i n g polyethylene foils for t h i n (n, p)-radiators will be described. These r a d i a t o r will be used i n n e u t r o n s p e c t r o m e t r y . T h e m e t h o d is based on t h e inelastic s t r e c h i n g of c o m m e r c i a l p o l y e t h y l e n e foils, w h i c h are a v a i l a b l e i n s t a n d a r d thicknesses of 20/*, 30/*, 40/*, 50/* a n d so on. T h e t h i c k n e s s of a
s t r e c h e d foil is a b o u t 0,18 t i m e s t h e thickness of t h e original foil. T h e v a r i a t i o n of thickness in a 10 c m X 3 c m a r e a of a s t r e c h e d foil w a s w i t h i n t h e a c c u r a c y of m e a s u r e m e n t of 0.04 m g / c m 2 in t h e considered r a n g e f r o m 0.3 to 1.5 m g / c m z. (Transmission m e a s u r e m e n t s w i t h C14).
Grundlagen des Verfahrens
Rillen auf. Dehnt mail eine Folie quer zu den Rillen, so beginnet sie, v o n d e r tiefsten Rille ausgehend, zu fliel3en. Durch die dabei freigesetzte WXrtne werden die Nachbarstreifen erw~irmt und ill den FlieBprozeg mit hineingezogen, da die fiir das FlieBen erforderliche Spannung mit steigender Temperatur abnimmt. Wenn man daftir sorgt, dab die Spannung die ZerreiBgrenze ftir die dtinnste Stelle nicht iiberschreitet, dann erh~lt man abh~ngig yon der Beschaffenheit der Ausgangsfolie, den Wgrlneund Spannungsverh~iltnissen,ein mehr oder minder groBes Sttick gedehnter Folie. Die Dicke dieser gedehnteI1 Folie mti~te entsprechend der oben beschfiebenen Vorstellung yore DehnullgsprozeB etwa das I/5-bis l/6-fache der Dicke des Ansgangsmaterials betragen.
In Abb. 1 ist eine Spannungs-Dehnungs-Charakteristik ffir eine Poly~ithylenfolie dargestellt. Zwischen zwei elastischen Dehnungsbereichen, die etwa ether Verl~ingerung yon 0 his 20 % und 600 % bis zur ZerreiBgrenze bet ca. 750% entsprechen, liegt ein
180C
~120£
6O(:
Die Dehnungsvorrichtung ~o
3~o ' 41o °1o ELONGATION
6:~o
'
Abb. 1. (Die A b b i l d n n g w u r d e den " V i s Q u e e n F i l m , T e c h nical D a t a , U n i o n Carbide C o r p o r a t i o n " e n t n o m m e n . )
Bereich der nnelastischen Verformung. Die unelastische Dehnung erkl~rt sich aus Umorientierungsvorg~ngen illnerhalb der semikristallinen Struktur des Polygthylensl). Der unelastische Dehnungsbereich liegt beziig!ich der erforderlichen Spannung zwischen dell beiden Elastiziffitsbereichen. Die handelstiblichen Folien weisen anf Grund des Herste]lungsverfahrens ill ether Richtung feine 353
Die in Abb. 2 dargestellte Vorrichtung hat sich ftir die Dehnung yon Poly~thylenschlanch als sehr praktisch erwiesen. Ein etwa 50 cm langes St/ick Poly~ithylenschlauch wird an den beiden offenen Enden mittels kreisf6rmiger Scheiben, welche dutch einen Gummiring und einen Spannring befestigt werden, verschlossen. In der oberen Scheibe befindet sich zum Zwecke des Gaseinlassens ein drehbar gelagerter SchlauchanschluB. Der SchlauchanschtuB in der unteren Scheibe dient als GasauslaBventil, dessert GasdurchlaB dutch mehr oder minder starkes 1) s. Vis Q u e e n :Film, Technical D a t a ; U n i o n Carbide, USA.
354
G. B I R K H O F F
Abdriicken mit den Fingern geregelt werden kann. Zum Zwecke der Dehnung l~igt man nun einfach Preggas einstr6men, wobei der AblaBschlauch so lange verschlossen bleibt, bis l~ings einer Rille im Poly~ithylenschlauch die Folie zu flieBen beginnt.
innerhalb des Megfehlers von +_ 0,04 mg/cm 2. Die mittlere Dicke der gedehnten Folie betrug 0,49 mg/cm 2 = 5,3/1.
Reproduzierbarkeit des Verfahrens Es wurden vier gedehnte Folien aus vier verschiedenen Chargen an je drei Punkten nach der oben angegebenen Methode vermessen. Drei dieser Folien hatten innerhalb der Meggenauigkeit yon 4- 0,04 mg/cm 2 gleiche Dicken. Die Dicke der vierten Folie war um ca. 15 % geringer. Die Reproduzier~arkeit ist also hinreichend gut. Tabelle 1 gibt ein~ Zusammenstellung fiber die Dicken der gede/hnten Folien bei vorgegebenen Dicken des Ausgangsmaterials.
PreBg~seinlo(] t
Ourrlm/Tt;~g ~-~dpunnr/n# _____~--POl~l~/h.vlenschlauch
TABELLIg 1
Oc/aou$1oB Abb,
2~ Schematische Darstellung der Vorrichtung Dchnung yon Poly~ithylenschlauch.
Dicke der Ausgangsfolie
Dicke der gedehnten Folie
20 30 40 5O
3,5 5,3 7,0 8,8
Anfertigung yon (n, p)-Radiatoren zur
Die gedehnten Folien wurde fiir die Herstellung yon (n, p)-Radiatoren fiir ein Neutronen-Rtickstol3Man muB nun dutch geschicktes Regulieren des Gas- protonenspektrometer ben6tigt. Die k~iuflichen Fodrucks, d.h. mehr oder minder starkes Abdriicken lien (d > 20p) sind aus Griinden der Energieaufl6des Ablal3schlauches, dafiir sorgen, dab sich der sung erst ab etwa 4 MeV verwendbar. Mit den Radiatoren aus gedehnter Folie kann der Mel3bereieh nach Fliel3vorgang rasch ausbreiten kann. Ein zu rasches Anwaehsen des Gasdrucks fiihrt niederen Energien erweitert werden (etwa ~ MeV). Die Folie wird zuerst auf einen Streifen aus zum Platzen des Schlauches; steigt der Druck dagegen zu tangsam an, so kommt der Fliel3vorgang Messing aufgespannt und gestanzt. Im vorliegenden wegen der zu starken W~irmeabgabe nach augen zu Falle betrigt der Durchmesser der Radiatoren 25.00 ram. Nach Trocknung und Wigung wird die friih zum Stillstand. Mit etwas Geschick kann man jedoch leicht gedehnte Folienstiicke der Gr6Be yon gestanzte Folie mittels einer GummiwMze aut Platin biech bei Temperaturen zwischen 85 ° C und 90°C etwa 10 cm x 20 cm erzeugen. aufgewalzt. Bei gedehnten Folien tritt bei diesen Dickengleichmagigkeit Temperaturen eine Schrumpfung der Folie in DehZur ~berpriifung der Dickengleichm~iBigkeit der nungsrichtung ein. Man kann diese Schrumpfung gedehnten Folien wurde ein Folienstiick tier Gr~Sl3e vermeiden, indem man mit stiirkerem Druck in 3 cm x 10 cm mitteis C14-B-Durchstrahlung an den Dehnungsrichtung aufwalzt. Auf diese Weise gelingt Eckpunkten eines 4 mm x 4 mm Rasters ver- es relativ leicht, die Verzerrung der Folien hinmessen. Die Dicke des Ausgangsmaterials betrug reichend klein zu halten. Der Fliichenfehler der hier 30/~. Die gemessenen Dickenschwanknngen lagen angefertigten Radiatoren betr~igt etwa 1%.
INSTRUMENTS
AND
METHODS
21
(1963)
353-354;
NORTH-HOLLAND
PUBLISHING
CO.
EIN VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DONNER POLYATHYLENFOLIEN F~R (n, p)-RADIATOREN G. B I R K H O F F
Zentralinslitut ]iir Reaktore~perimente der Kern/orschungsanlage f i~lich E i n g e g a n g e n 13. S e p t e m b e r 1962
A m e t h o d for p r e p a r i n g polyethylene foils for t h i n (n, p)-radiators will be described. These r a d i a t o r will be used i n n e u t r o n s p e c t r o m e t r y . T h e m e t h o d is based on t h e inelastic s t r e c h i n g of c o m m e r c i a l p o l y e t h y l e n e foils, w h i c h are a v a i l a b l e i n s t a n d a r d thicknesses of 20/*, 30/*, 40/*, 50/* a n d so on. T h e t h i c k n e s s of a
s t r e c h e d foil is a b o u t 0,18 t i m e s t h e thickness of t h e original foil. T h e v a r i a t i o n of thickness in a 10 c m X 3 c m a r e a of a s t r e c h e d foil w a s w i t h i n t h e a c c u r a c y of m e a s u r e m e n t of 0.04 m g / c m 2 in t h e considered r a n g e f r o m 0.3 to 1.5 m g / c m z. (Transmission m e a s u r e m e n t s w i t h C14).
Grundlagen des Verfahrens
Rillen auf. Dehnt mail eine Folie quer zu den Rillen, so beginnet sie, v o n d e r tiefsten Rille ausgehend, zu fliel3en. Durch die dabei freigesetzte WXrtne werden die Nachbarstreifen erw~irmt und ill den FlieBprozeg mit hineingezogen, da die fiir das FlieBen erforderliche Spannung mit steigender Temperatur abnimmt. Wenn man daftir sorgt, dab die Spannung die ZerreiBgrenze ftir die dtinnste Stelle nicht iiberschreitet, dann erh~lt man abh~ngig yon der Beschaffenheit der Ausgangsfolie, den Wgrlneund Spannungsverh~iltnissen,ein mehr oder minder groBes Sttick gedehnter Folie. Die Dicke dieser gedehnteI1 Folie mti~te entsprechend der oben beschfiebenen Vorstellung yore DehnullgsprozeB etwa das I/5-bis l/6-fache der Dicke des Ansgangsmaterials betragen.
In Abb. 1 ist eine Spannungs-Dehnungs-Charakteristik ffir eine Poly~ithylenfolie dargestellt. Zwischen zwei elastischen Dehnungsbereichen, die etwa ether Verl~ingerung yon 0 his 20 % und 600 % bis zur ZerreiBgrenze bet ca. 750% entsprechen, liegt ein
180C
~120£
6O(:
Die Dehnungsvorrichtung ~o
3~o ' 41o °1o ELONGATION
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Abb. 1. (Die A b b i l d n n g w u r d e den " V i s Q u e e n F i l m , T e c h nical D a t a , U n i o n Carbide C o r p o r a t i o n " e n t n o m m e n . )
Bereich der nnelastischen Verformung. Die unelastische Dehnung erkl~rt sich aus Umorientierungsvorg~ngen illnerhalb der semikristallinen Struktur des Polygthylensl). Der unelastische Dehnungsbereich liegt beziig!ich der erforderlichen Spannung zwischen dell beiden Elastiziffitsbereichen. Die handelstiblichen Folien weisen anf Grund des Herste]lungsverfahrens ill ether Richtung feine 353
Die in Abb. 2 dargestellte Vorrichtung hat sich ftir die Dehnung yon Poly~thylenschlanch als sehr praktisch erwiesen. Ein etwa 50 cm langes St/ick Poly~ithylenschlauch wird an den beiden offenen Enden mittels kreisf6rmiger Scheiben, welche dutch einen Gummiring und einen Spannring befestigt werden, verschlossen. In der oberen Scheibe befindet sich zum Zwecke des Gaseinlassens ein drehbar gelagerter SchlauchanschluB. Der SchlauchanschtuB in der unteren Scheibe dient als GasauslaBventil, dessert GasdurchlaB dutch mehr oder minder starkes 1) s. Vis Q u e e n :Film, Technical D a t a ; U n i o n Carbide, USA.
354
G. B I R K H O F F
Abdriicken mit den Fingern geregelt werden kann. Zum Zwecke der Dehnung l~igt man nun einfach Preggas einstr6men, wobei der AblaBschlauch so lange verschlossen bleibt, bis l~ings einer Rille im Poly~ithylenschlauch die Folie zu flieBen beginnt.
innerhalb des Megfehlers von +_ 0,04 mg/cm 2. Die mittlere Dicke der gedehnten Folie betrug 0,49 mg/cm 2 = 5,3/1.
Reproduzierbarkeit des Verfahrens Es wurden vier gedehnte Folien aus vier verschiedenen Chargen an je drei Punkten nach der oben angegebenen Methode vermessen. Drei dieser Folien hatten innerhalb der Meggenauigkeit yon 4- 0,04 mg/cm 2 gleiche Dicken. Die Dicke der vierten Folie war um ca. 15 % geringer. Die Reproduzier~arkeit ist also hinreichend gut. Tabelle 1 gibt ein~ Zusammenstellung fiber die Dicken der gede/hnten Folien bei vorgegebenen Dicken des Ausgangsmaterials.
PreBg~seinlo(] t
Ourrlm/Tt;~g ~-~dpunnr/n# _____~--POl~l~/h.vlenschlauch
TABELLIg 1
Oc/aou$1oB Abb,
2~ Schematische Darstellung der Vorrichtung Dchnung yon Poly~ithylenschlauch.
Dicke der Ausgangsfolie
Dicke der gedehnten Folie
20 30 40 5O
3,5 5,3 7,0 8,8
Anfertigung yon (n, p)-Radiatoren zur
Die gedehnten Folien wurde fiir die Herstellung yon (n, p)-Radiatoren fiir ein Neutronen-Rtickstol3Man muB nun dutch geschicktes Regulieren des Gas- protonenspektrometer ben6tigt. Die k~iuflichen Fodrucks, d.h. mehr oder minder starkes Abdriicken lien (d > 20p) sind aus Griinden der Energieaufl6des Ablal3schlauches, dafiir sorgen, dab sich der sung erst ab etwa 4 MeV verwendbar. Mit den Radiatoren aus gedehnter Folie kann der Mel3bereieh nach Fliel3vorgang rasch ausbreiten kann. Ein zu rasches Anwaehsen des Gasdrucks fiihrt niederen Energien erweitert werden (etwa ~ MeV). Die Folie wird zuerst auf einen Streifen aus zum Platzen des Schlauches; steigt der Druck dagegen zu tangsam an, so kommt der Fliel3vorgang Messing aufgespannt und gestanzt. Im vorliegenden wegen der zu starken W~irmeabgabe nach augen zu Falle betrigt der Durchmesser der Radiatoren 25.00 ram. Nach Trocknung und Wigung wird die friih zum Stillstand. Mit etwas Geschick kann man jedoch leicht gedehnte Folienstiicke der Gr6Be yon gestanzte Folie mittels einer GummiwMze aut Platin biech bei Temperaturen zwischen 85 ° C und 90°C etwa 10 cm x 20 cm erzeugen. aufgewalzt. Bei gedehnten Folien tritt bei diesen Dickengleichmagigkeit Temperaturen eine Schrumpfung der Folie in DehZur ~berpriifung der Dickengleichm~iBigkeit der nungsrichtung ein. Man kann diese Schrumpfung gedehnten Folien wurde ein Folienstiick tier Gr~Sl3e vermeiden, indem man mit stiirkerem Druck in 3 cm x 10 cm mitteis C14-B-Durchstrahlung an den Dehnungsrichtung aufwalzt. Auf diese Weise gelingt Eckpunkten eines 4 mm x 4 mm Rasters ver- es relativ leicht, die Verzerrung der Folien hinmessen. Die Dicke des Ausgangsmaterials betrug reichend klein zu halten. Der Fliichenfehler der hier 30/~. Die gemessenen Dickenschwanknngen lagen angefertigten Radiatoren betr~igt etwa 1%.