ИСТОЧНИК ИОНОВ Российский патент 1996 года по МПК H01J37/08 H01J3/04 

Изобретение относится к источникам ионов и может быть использовано в технологии электромагнитного разделения изотопов.

Имеются различные типы ионных источников в том числе высокотемпературных (R. Kirchner. Progress in ion source develop- ment for on-line separator. "Nucl. Instr. and Meth.", 1981, 186, N 1-2, 275-293), применяемые вследствие их малой производительности в большинстве случаев для исследовательских целей. Для промышленного электромагнитного разделения изотопов в основном применяются ионные источники калютронного типа, использующие нагрев рабочего вещества и газоразрядной камеры тепловым излучением от нагревателей активного сопротивления (Li Gondpan, et al. Some experimental stadies of the calutron ion source. "Nucl. Instr. and Meth.", 1981, 186, N 1-2, 353- -356). Однако их рабочие температуры невелики и не превышают 1000^oC (Xia Meigin, et al. Electromagnetic separation of stable isotopes at china institute of atomic energy; J. G.Tracy and W.S.Aaron. Stable Isotope enrichment carrent and future potential. For presentation at the 16th World Conference of the International Nuolear Target Development Society, Sgptombcr 21-25, 1992, Padova, Italy).

Известен источник ионов для промышленного разделения изотопов в 180-градусном электромагнитном сепараторе (Н.А.Кащеев, В.А.Дергачев. Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ. М, Энергоатомиздат, 1989, c. 13-15), который содержит ионно-оптическую систему, термокатод с нитью накала, газоразрядную камеру и тигель с рабочим веществом. Для создания необходимого давления паров рабочего вещества и устойчивого горения разряда газоразрядная камера и тигель нагреваются тепловым излучением от ленточного и циллиндрического нагревателей активного сопротивления. В качестве материала нагревателей используется нержавеющая сталь, тантал, молибден и графит. Недостатком такого ионного источника, как и у калютрона, является невысокая температура, не превышающая в области нагрева 1000^oС, что ограничивает применение в качестве рабочего вещества многих химических элементов и соединений, имеющих более высокую рабочую температуру парообразования (никель, палладий и др.). Дальнейшее увеличение мощности, подводимой к нагревателям, дает незначительное увеличение температуры вследствие низкой эффективности нагрева, а также приводит к выходу нагревателей из строя по причине возникновения больших токов в их низкоомной цепи.

Технический результат изобретения увеличение температуры нагрева тигля и газоразрядной камеры ионного источника до 2000^oС для получения необходимого для функционирования дугового разряда давления паров слаболетучих химических элементов и соединений путем увеличения мощности нагревателя и повышения эффективности нагрева.

В предложенном источнике ионов указанный технический результат реализуется за счет объемной конструкции высокоомного нагревателя, изготовленного из цельного куска графита в форме полого прямоугольного параллелепипеда, внутри которого (в рабочем объеме нагревателя) помещаются совмещенные в один блок тигель и газоразрядная камера. Стенки прямоугольного параллелепипеда фрезерованы таким образом, что образуют непрерывную ленту, имеющую на порядок большую длину по сравнению с его габаритными размерами, такую, что излучающая внутрь поверхность графитовой ленты составляет не менее 3/4 площади блока тигель-газоразрядная камера. Использование графита и большая эффективная длина нагревателя увеличивают его сопротивление и позволяют в несколько раз повысить выделяемую на нем тепловую мощность, а большая теплоизлучающая поверхность нагревателя, обеспечивает незначительный перепад температуры (не более 150^oС) между нагревателем и нагреваемым блоком и удовлетворительный ресурс его работы (не менее 1000 ч).

Дальнейшее увеличение длины графитовой ленты при фиксированных габаритных размерах нагревателя приводит за счет увеличения общей площади пазов к уменьшению его излучающей поверхности и, согласно изображенного ниже графика, к быстрому снижению эффективности нагрева.

На графике (фиг.1) показана разность температур нагревателя и блока тигель-газоразрядная камера (Тн-Тбл), когда температура на последнем составляет 2000^oС, в зависимости от отношения площадей поверхности нагревателя и блока (Sн/Sбл). Снижение указанного отношения, например до 5/8, приводит к увеличению температуры нагревателя и за счет этого, к резкому до 100- 200 часов уменьшению ресурса его работы, определяемому временем испарения 1 мм его толщины, а также к быстрому снижению механической прочности нагревателя.

На фиг. 2 в вертикальном сечении показан ионизатор, содержащий тигель 1, газоразрядную камеру 2 и термокатод 3 с нитью накала 4. Полость 5 тигля 1, закрытая резьбовой пробкой 6, содержит рабочее вещество 7 и соединяется с полостью 8 газоразрядной камеры 2 через паропропускное отверстие 9. Газоразрядная камера 2 имеет амбразуру 10, расположенную под термокатодом, и узкую вертикальную щель 11.

На фиг. 3 в изометрии показана конструкция графитового нагревателя 12 с токопроводами 13.

На фиг. 4 в горизонтальном сечении изображена схема расположения основных элементов конструкции ионного источника и получения ионного пучка. Она содержит блок газоразрядной камеры 2 и тигля 1, помещенный в нагреватель 12, основание 15 с тепловыми экранами 14, а также ионно-оптическую систему 16.

Рабочее вещество 7 загружают в графитовый тигель 1, полость 5 которого заглушают резьбовой пробкой 6. Тигель совмещают с графитовой газоразрядной камерой 2 соединением типа "ласточкин хвост". Этот блок помещают в рабочий объем графитового нагревателя 12, изготовленного в виде уложенной в форме полого прямоугольного параллелепипеда ленты таким образом, что эффективная длина ленты (900 мм) на порядок превышает габаритные размеры параллелепипеда (45•30•90 мм) и имеет сопротивление 0,20 0,25 Ом при нагрузке до 5 кВт по постоянному току. Для уменьшения тепловых потерь на излучение установлены танталовые тепловые экраны 14 в основании 15 (см. фиг.3). С открытой стороны роль теплового экрана частично выполняют электроды ионно-оптической системы 16.

Весь ионный источник находится в вакууме при давлении 1•10^-3 Па в постоянном магнитном поле Н (направление указано стрелкой). При нагреве пары рабочего вещества из тигля 1 через отверстие 9 попадают в полость 8 газоразрядной камеры 2, и затем процесс получения ионного пучка происходит как в известном ионном источнике: под действием электронов с термокатода 3 в парах рабочего вещества зажигается дуговой разряд, и образовавшиеся ионы через щель 11 в газоразрядной камере 2 извлекаются и формируются в пучок электродами ионно-оптической системы 16.

Ионный источник был испытан при разделении в электромагнитном сепараторе изотопов палладия. В тигель был загружен металлический порошковый палладий, не имеющий устойчивых низкотемпературных легколетучих соединений. При температуре 1600 1700^oС в газоразрядной камере было достигнуто давление паров палладия, необходимое для поддержания устойчивого дугового разряда и получения сфокусированного ионного пучка. Зафиксированы основные параметры, характеризующие режим работы ионного источника: напряжение в цепи нагревателя 26 В; ток в цепи нагревателя 115 А; напряжение разряда 150 В; ток разряда 1 А; ток ионного источника 35 мА; расход палладия 0,6 г/час; время работы источника 30 час. Результаты разделения по изотопам составили:
Таким образом, результаты испытания подтверждают работоспособность предлагаемого ионного источника, применение которого позволяет расширить диапазон используемых в качестве рабочего вещества химических элементов и соединений для улучшения технологических параметров процесса разделения изотопов электромагнитном сепараторе и, в конечном итоге, для улучшения качества изотопной продукции. ТТТ1 ЫЫЫ2

Использование: в технологии электромагнитного разделения изотопов. Сущность изобретения: в источнике ионов, содержащем электронно-оптическую систему, термокатод, газоразрядную камеру, тигель с рабочим веществом, нагреватель выполнен из графитовой ленты, уложенной в виде полого прямоугольного параллелепипеда с пазами, размещенной вокруг блока тигель-газоразрядная камера. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Источник ионов дня электромагнитного масс-сепаратора, содержащий ионно-оптическую систему, термокатод с нитью накала, газоразрядную камеру, тигель с рабочим веществом и нагреватель, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде графитовой ленты, уложенной в форме полого прямоугольного параллелепипеда, охватывающей с пяти сторон совмещенные в единый блок тигель и газоразрядную камеру. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что эффективная длина графитовой ленты выбрана такой, чтобы излучающая внутрь поверхность нагревателя была не менее 3/4 площади поверхности блока тигель газоразрядная камера.