ПЛАЗМЕННЫЙ МАСС-СЕПАРАТОР Российский патент 1996 года по МПК B01D59/48 H01J49/26 H05H1/02 

Изобретение относится к физике плазмы, а именно, к методам и устройствам разделения изотопов в плазме. Оно может быть использовано в различных отраслях промышленности: электронной, химической, биотехнологической, а также в энергетике, сельском хозяйстве и других областях.

Известна установка для разделения изотопов методом ионного циклотронного резонанса [1] Устройство имеет вакуумную камеру, источник плазмы, магнитную систему, высокочастотную (ВЧ) антенну и коллектор ионов. Магнитная система выполнена в виде соленоида (обычного или сверхпроводящего), создающего однородное магнитное поле. ВЧ антенна расположена в вакуумной камере и работает на частотах 80-100 кГц. Цилиндрическая антенна заключена в охлаждаемый кожух со щелью вдоль оси для создания азимутального электрического поля.

Недостатком известного устройства является то, что плазма в зоне нагрева имеет форму кругового цилиндра, радиус которого на порядок превышает радиус нагретых ионов. Вследствие этого нагретая и холодная фракции ионов плазмы занимают один и тот же объем, а их разделение происходит непосредственно в области сбора "продукта" коллектором, которым служат металлические пластины, параллельные магнитному полю. Основная часть холодных ионов, ларморовский радиус которых много меньше расстояния между пластинами сбора "продукта", не попадает на эти пластины и собирается коллектором "отвала". Однако холодные ионы, движущиеся на расстоянии от пластин, меньших своего ларморовского радиуса, осаждаются на них, что существенно уменьшает степень разделения масс-сепаратора. Ослабление этого эффекта путем введения экранов и задерживающих потенциалов приводит к уменьшению коэффициента использования рабочего вещества. Положительный задерживающий потенциал может приводить также к разогреву коллекторных пластин электронным током и к испарению собранного изотопа. Уменьшение степени разделения вызывается также попаданием на пластины атомов всех изотопов, образующихся при рекомбинации.

Ближайшим техническим решением является устройство для разделения по массам ионов изотопов [2] основанное на пространственном разделении предварительно нагретой методом ионного циклотронного резонанса (ИЦР) компоненты ионов плазмы определенного изотопа от всех прочих путем пропускания через неоднородное магнитное поле. Скорость дрейфа ионов поперек магнитного поля пропорциональна поперечной энергии ионов, причем коэффициент пропорциональности зависит от величины поля и его градиента. Пространственное разделение двухтемпературной по ионной компоненте плазмы в неоднородном магнитном поле сопровождается разделением зарядов, поэтому для их нейтрализации должен дополнительно создаваться компенсирующий поток электронов вдоль силовых линий магнитного поля.

Устройство может быть выполнено с различной конфигурацией неоднородного магнитного поля, при этом выбор конфигурации, оптимальной по критериям стоимости установки, ее производительности, числа изотопов, получаемых в одном цикле степени разделения и т.д. весьма актуален.

Недостатком прототипа является сложность реализации с его помощью повторной сепарации в одном вакуумном цикле любого из разделенных на первом шаге сепарации плазменных потоков. Для этого нужно развести плазменные потоки и для каждого из них построить свой вторичный масс-сепаратор с участками однородного и неоднородного магнитного поля, системой ИЦР-нагрева и т.д. для которого первая ступень играет роль источника плазмы. Это обстоятельство не позволят реализовать универсальную (для резонансных и нерезонансных ионов) вторую ступень разделения изотопов.

Техническим результатом изобретения является увеличение степени разделения по массам, а также разделения числа изотопов более двух в одном вакуумном цикле путем управляемой многоступенчатой сепарации.

Технический результат достигается тем что в плазменном масс-сепараторе, содержащем вакуумную камеру, источник плазмы, источник электронов, магнитную систему с участком однородного магнитного поля, на котором осуществляется селективный нагрев ионов плазмы выбранного изотопа воздействием электромагнитного поля с частотой, равной его циклотронной частоте и участком неоднородного магнитного поля, ВЧ антенну и коллекторы для отбора требуемых ионных компонент, источник электронов выполнен в виде по крайней мере одного кольцевого электронного эмиттера, при этом масс-сепаратор выполнен многоступенчатым, каждая ступень которого содержит участки однородного, на котором осуществляется селективный нагрев ионов, и неоднородного магнитных полей, причем участок неоднородного магнитного поля включает четное число отрезков тороидальных соленоидов с чередующейся по знаку кривизной, причем коллекторы ионов выполнены подвижными и расположены между тороидальными соленоидами и на выходе каждой ступени.

Таким образом, использование конфигурации магнитного поля, включающей два отрезка тороидальных соленоидов противоположной по знаку кривизны в сочетании с системой подвижных коллектором позволяет осуществить управляемую многоступенчатую сепарацию за счет периодического возвращения потока плазмы в его первоначальное положение. При этом объем магнитного поля оказывается минимальным.

На фиг. 1 показано конструктивное выполнение масс-сепаратора. На фиг. 2 показано сечение устройства плоскостью А (фиг. 1) между тороидальными участками с противоположной кривизной.

В устройство входят вакуумная камера 1, источник плазмы 2, система кольцевых электронных эмиттеров 3, соленоид 4 однородного магнитного поля, соленоиды 5, 6 неоднородного магнитного поля с разной по знаку кривизной, размещенная в зоне однородного поля цилиндрическая ВЧ антенна 7, коллекторы 8.

Торец тороидального участка (плоскость В фиг. 1) может служить началом следующей ступени масс-сепаратора. Возможна реализация участков масс-сепаратора с потоками плазмы различной формы: трубчатыми, цилиндрическими, ленточными. В качестве источников плазмы можно использовать источники с термической ионизацией, СВЧ ионизацией или на основе разряда постоянного тока, предназначенные для работы в сильном магнитном поле устройства.

Устройство работает следующим образом. В вакуумной камере 1 создают рабочий вакуум (10^-4 торр). Затем включают источник плазмы 2 и эмиттеры электронов 3. При происходит ионизация рабочего вещества, состоящего из смеси изотопов. Включением соленоидов 4,5,6 формируют поток замагниченной плазмы вдоль магнитных силовых линий. Величину магнитного поля устанавливают, исходя из требований на ширину полосы циклотронного поглощения и требования замагниченности ионов плазмы. Допустимая величина неоднородности магнитного поля определяется требуемой степенью разделения по массам. После формирования потока холодной плазмы 9 включают ВЧ генератор, соединенный с антенной 7. Частоту генератора подбирают равной циклотронной частоте ионов выделяемого на данном шаге сепарации изотопа в однородном магнитном поле соленоида 4. В результате резонансного взаимодействия с электромагнитным полем ионы выделяемого изотопа увеличивают поперечную по отношению к магнитному полю энергию. В соленоиде 5 происходит пространственное разделение плазмы на две фракции 9, 10 (фиг. 2), отличающихся поперечными температурами своих ионных компонент, связанное с разными скоростями дрейфа этих фракций поперек магнитного поля в тороидальном поле соленоида 5. Скорость дрейфа перпендикулярна плоскости симметрии соленоида и пропорциональна поперечной энергии ионов. Коллекторы 8, размещенные на выходе соленоида 5, служат для выделения ионов любого из двух плазменных потоков (фракций). Не выделенный поток плазмы поступает в тороидальный соленоид 6, где силовые линии имеют противоположную кривизну. Здесь дрейф ионов имеет противоположное направление и поток резонансных ионов, отклоненных в соленоиде 5, возвращается в первоначальное положение. При этом происходит дополнительная очистка от ионов других изотопов, попавших в отклоненный поток в результате столкновений или перезарядки. Поток электронов от электронных эмиттеров 3 служит для компенсации пространственного заряда, возникающего при движении плазмы в неоднородном магнитном поле. После удаления "отвала" на выходе соленоида 6 коллекторами 8 плазма поступает в следующую ступень масс-сепаратора.

Отметим, что кольцевые эмиттеры электронов 3, предназначенные для компенсации пространственного заряда, возникающего при дрейфе ионов плазмы в неоднородном магнитном поле, могут быть использованы в качестве ВЧ антенны для селективного ИЦР нагрева ионов плазмы.

Приведем характерные параметры плазменного масс-сепаратора: магнитное поле до 1 Тл при его неоднородности в зоне нагрева около 1% напряженность электрического поля в плазме до 1 В/см, плотность плазмы 10¹⁰ см^-3 при температуре ионов 5-15 эВ, площадь поперечного сечения плазмы до 0,05 м², длина одной ступени сепарации 1-2 м, производительность устройства около 10 Г/с при коэффициенте обогащения выше 10 при двухступенчатой сепарации.

Использование многоступенчатого процесса разделения изотопов в плазме, осуществляемого в одном вакуумном цикле, позволяет существенно повысить степень разделения и, следовательно, чистоту получаемых материалов, а также реализовать одновременное разделение нескольких изотопических компонент. Необходимо отметить, что задачи исследования и развития новых технологий разделения изотопов диктуются не только необходимостью расширения масштаба и ассортимента выпускаемого набора изотопически чистых материалов, стоимость которых на мировом рынке весьма высока, но и возросшими требованиями уменьшения энергозатрат, экологии среды и замены устаревших технологий на более эффективные и производительные.

Использование: разделение изотопов в плазме. Сущность изобретения: плазменный масс-сепаратор содержит вакуумную камеру, источник плазмы, источник электронов в виде кольцевых эмиттеров, магнитную систему с участком неоднородного магнитного поля, на котором осуществляется селективный нагрев в плазме ионов выбранного изотопа воздействием электромагнитного поля с частотой, равной его циклотронной частоте, и участком неоднородного магнитного поля, ВЧ антенну и коллекторы для отбора требуемых ионных компонентов. Для увеличения степени разделения по массам, а также разделения числа изотопов более двух в одном вакуумном цикле плазменный масс-сепаратор выполнен многоступенчатым. Каждая ступень сепаратора содержит участки однородного и неоднородного магнитных полей. Участок неоднородного магнитного поля включает четное число отрезков тороидальных соленоидов с чередующейся по знаку кривизной. Коллекторы ионов выполнены подвижными и расположены между тороидальными соленоидами и на выходе каждой ступени. 1 ил.

Плазменный масс-сепаратор, содержащий вакуумную камеру, источник плазмы, источник электронов, магнитную систему с участком однородного магнитного поля, на котором осуществляется селективный нагрев в плазме ионов выбранного изотопа воздействием электромагнитного поля с частотой, равной его циклотронной частоте, и участком неоднородного магнитного поля, ВЧ-антенну и коллекторы для отбора требуемых ионных компонентов, отличающийся тем, что источник электронов выполнен в виде по крайней мере одного кольцевого электронного эмиттера, при этом масс-сепаратор выполнен многоступенчатым, каждая его ступень содержит участок однородного магнитного поля, на котором осуществляется селективный нагрев ионов, и участок неоднородного магнитного поля, причем участок неоднородного магнитного поля включает четное число отрезков тороидальных соленоидов с чередующейся по знаку кривизной, а коллекторы ионов выполнены подвижными и расположены между тороидальными соленоидами и на выходе каждой ступени.