СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B01D59/48 

Изобретение относится к способам и устройствам для разделения изотопов и элементов и может быть использовано в качестве первого обогатительного каскада двухкаскадного процесса производства стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов, в качестве однокаскадного процесса разделения изотопов с невысокой степенью обогащения, а также для очистки от примеси посторонних элементов целевого продукта.

Известен способ разделения изотопов, включающий ионизацию паров разделяемого вещества, ускорение ионов электростатическим полем в источнике ионов, сепарацию ускоренных ионов по массам в магнитном поле и накопление изотопов на приемниках.

Недостатком известного способа является небольшая производительность, высокие ускоряющие напряжения и, как следствие, большие энергетические затраты.

Известно устройство для разделения изотопов, включающее электроизмерительную систему, магнитную систему, вакуумную камеру, в которой размещены источник ускоренных ионов с системой подачи разделяемого вещества, приемники изотопов.

Известное устройство имеет недостатки, присущие известному способу.

Задачей изобретения является увеличение производительности процесса разделения, снижение энергетических затрат.

Это достигается способом разделения изотопов, включающим ионизацию паров разделяемого вещества, ускорение ионов электростатическим полем в источнике ионов, сепарацию ускоренных ионов по массам в однородном магнитном поле и накопление изотопов на приемниках, при этом все изотопы периферийной по радиусу зоны цилиндрического источника плазмы ускоряют в радиальном направлении электростатическим полем в замкнутом цилиндрическом холловском слое электронов толщиной порядка ларморовского радиуса электрона, охватывающем без зазора цилиндрический источник плазмы в присутствии нейтрализующих объемный заряд электронов, а круговые траектории ускоренных ионов в поперечном магнитном поле и электрическом эквипотенциальном пространстве задают, изменяя соотношение величин ускоряющего напряжения и напряженности магнитного поля так, чтобы механическое ограничение перемещения тяжелых ионов происходило по радиальной координате, а легких ионов по продольной, а также чтобы радиус траекторий тяжелых ионов был больше, а радиус траекторий легких ионов был меньше ρ_кр, где
,
R радиус периферийного цилиндрического приемника, см;
r внешний радиус цилиндрического холловского слоя, см.

Для осуществления способа предложено устройство для разделения изотопов, включающее магнитную систему, расположенную вокруг вакуумной камеры, внутри которой размещены источник ускоренных ионов с системой подачи разделяемого вещества, приемники изотопов, и электроизмерительную схему, при этом источник ионов открытого типа выполнен в виде расположенных в вакуумной камере на общей оси катода и анода двух электродов -приемников легких изотопов, отрицательных относительно анода, выполненных в виде охлаждаемых кольцевых дисков с диаметром внутреннего отверстия, меньшим диаметра катода и анода, и расположенных за пределами разрядного промежутка, а приемник тяжелых ионов выполнен в виде охлаждаемого периферийного цилиндрического электрода, установленного соосно с катодом и анодом и отрицательного относительно анода.

Высокая производительность обусловлена использованием безэлектродного способа ускорения ионов в замкнутом слое электронов, что позволяет использовать всю эмиттирующую поверхность и работать при плотностях тока много выше тех, которые могут быть достигнуты при электродном ускорении в ионно-оптической системе.

В источниках такого типа в продольном магнитном поле создается плазма, ионы из которой ускоряются в замкнутом слое электронов, удерживаемых магнитным полем и создающих требуемую разность потенциалов между границей плазмы и слоем, принимающим потенциал торцевых электродов.

Использована модифицированная двухступенчатая конструкция источника ионов, в которой плазма создается дуговым разрядом с накаленным катодом в продольном магнитном поле, использована аксиальная система запуска пара по всей длине источника, а в качестве эмиттера ионов использована образующая открытого (без материальных стенок) цилиндрического плазменного столба.

Ионы из плазмы, стартуя в радиальных направлениях во все стороны в пределах 2π, ускоряются в слое до энергии в нескольких сотен вольт и, попадая в эквипотенциальное пространство с этой энергией, описывают в поперечном магнитном поле круговые траектории с радиусом
,
где ρ радиус круговых траекторий иона, см;
U_у ускоряющее напряжение, В;
M массовое число иона;
H напряженность магнитного поля, Э.

Для каждого значения и выбранных размеров устройства, изменяя величины ускоряющего напряжения U_у и напряженности магнитного поля H, задают радиус круговых траекторий ионов тяжелого изотопа r_т>ρ_кр, определяемое соотношением (1) с тем, чтобы сбор этой группы изотопов происходил на цилиндрическом периферийном приемнике, а легкие изотопы, двигаясь по траекториям с радиусом ρ_л>ρ_кр, совершали радиально-азимутальные колебания и дрейфуя вдоль магнитного поля, собирались на двух приемниках, расположенных за пределами разрядного промежутка по торцам устройства.

На фиг. 1 изображено схематическое устройство для разделения изотопов, где 1 разрядный промежуток, 2 холловский электронный слой, 3 и 4 - периферийный и торцевые приемники соответственно (системы охлаждения не показаны), 5 катодный узел с подогревом, 6 анод, 7 система подачи разделяемого вещества. Магнитное поле, направленное вдоль оси устройства, создается соленоидом 8, откачка системы производится через патрубок 10.

На фиг. 2 представлен способ разделения, где 9 траектории ионов.

Способ разделения изотопов обеспечивается следующим образом: разделяемое рабочее вещество загружается в систему подачи разделяемого вещества 7, представляющую собой подогреваемый тигель, и в виде пара подается в горячий парораспределитель. После подачи разрядного напряжения U_у между накаленным катодом 5 и анодом 6 в разрядном промежутке 1 загорается разряд. Подача ускоряющего напряжения U_у на электроды 4 при наличии плазмы в разрядном промежутке 1 приводит к возникновению слоя, в котором ионы ускоряются до напряжения U_у в несколько сотен вольт, и, попадая в эквипотенциальное пространство с этой энергией, описывают в поперечном магнитном поле круговые траектории 9 с радиусом, определяемым формулой (2). При этом траектория с радиусом ρ_кр, определяемым формулой (1), граничная, по которой ионы еще могут попасть на периферийный приемник 3 при заданных U_у и H. Все траектории ионов большей массы пересекают поверхность приемника 3 и ионы конденсируются на нем, а ионы меньшей массы, двигаясь по окружности с радиусом ρ_л>ρ_кр, не достигают периферийного приемника и, совершая конечное число радиально-азимутальных колебаний, дрейфуют вдоль магнитного поля на один из торцевых приемников 4.

В качестве примера рассмотрим задачу разделения изотопов Ca, в которой целевым изотопом является Ca₄₈. При двухкаскадной схеме разделения, где роль первого каскада играет предлагаемая схема, а во втором каскаде работает классический электромагнитный метод, для получения в конце процесса 1 г с содержанием 99 потребуется
1 Каскад
Время работы 230 ч (9,6 сут)
Количество исходного продукта 8,57 кг
Количество обогащенного продукта с содержанием 6 Ca₄₈ 46,4 г
Ионный ток в пучке 30,8 А
2 Каскад
Время работы 230 ч (9,6 сут)
Количество исходного продукта 46,4 г
Количество разделенного изотопа Ca₄₈ с содержанием 99 1 г
Ионный ток в двух лучах 150 мА
Суммарное время работы двух каскадов 460 ч. При однокаскадном разделении на электромагнитной установке изотоп Ca₄₈ содержанием 99 в количестве 1 г может быть получен из необогащенного сырья за 7400 ч (10,3 мес.). Таким образом, получаем выигрыш в производительности в 15 раз.

Преимуществом описанного процесса является то, что двухступенчатый радиальный ускоритель с анодным слоем в качестве источника ускоренных ионов позволяет осуществлять процесс разделения на уровне токов на порядок выше предельного значения, достигаемого в источниках ионов с щелевой ионно-оптической системой, применяемых в электромагнитных сепараторах, при этом ускоряющее напряжение не превышает нескольких сотен вольт. Тем самым обеспечивается высокая производительность и экономичность процесса.

Использование: в качестве первого обогатительного каскада двухкаскадного процесса производства радиоактивных изотопов химических элементов. Сущность изобретения: способ включает ионизацию паров разделяемого вещества, ускорение ионов электростатическим полем в источнике ионов, сепарацию ускоренных ионов по массам в однородном магнитном поле и накопление изотопов на приемниках, при этом изотопы периферийной зоны цилиндрического источника плазмы ускоряют в радиальном направлении электростатическим полем в замкнутом цилиндрическом холловском слое электронов, толщиной порядка ларморовского радиуса электрона, а круговые траектории ускоренных ионов в поперечном магнитном поле и электрическом эквипотенциальном пространстве задают изменяя соотношение величин ускоряющего напряжения и напряженности магнитного поля так, чтобы механическое ограничение перемещения тяжелых ионов происходило по радиальном координате, а легких ионов - по продольной. Для реализации способа предложено устройство, представляющее собой магнитную систему, расположенную вокруг вакуумной камеры, внутри которой расположен источник ускоренных ионов с приемниками изотопов, источник ионов выполнен в виде расположенных в вакуумной камере на одной оси катода и анода двух электродов - приемников легких ионов, а приемник тяжелых ионов выполнен в виде охлаждаемого периферийного цилиндрического электрода, установленного соосно с катодом и анодом. При разделении изотопов Ca, где целевой изотоп - Ca₄₈ для получения 1 г с содержанием Ca₄₈ 99 мас. %, время работы двух каскадов 460 ч, ускоряющее напряжение не превышает нескольких сотен вольт. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ разделения изотопов, включающий ионизацию паров разделяемого вещества, ускорение ионов электростатическим полем в источнике ионов, сепарацию ускоренных ионов по массам в магнитном поле и накопление изотопов на приемниках, отличающийся тем, что ионы периферийной по радиусу зоны цилиндрического источника плазмы ускоряют в радиальном направлении электростатическим полем в замкнутом цилиндрическом холловском слое электронов толщиной порядка ларморовского радиуса электрона, охватывающем без зазора цилиндрический источник плазмы в присутствии нейтрализующих объемный заряд электронов, а круговые траектории ускоренных ионов в поперечном магнитном поле и электрическом эквипотенциальном пространстве задают, изменяя соотношение величин ускоряющего напряжения и напряженности магнитного поля так, чтобы механическое ограничение перемещения тяжелых ионов происходило по радиальной координате, а легких ионов по продольной, при этом радиус траекторий тяжелых ионов был больше, а радиус траекторий легких ионов был меньше

где R радиус периферийного цилиндрического приемника, см;
r внешний радиус цилиндрического холловского слоя, см. 2. Устройство для разделения изотопов, включающее электроизмерительную систему, магнитную систему, вакуумную камеру, внутри которой размещены источник ускоренных ионов с системой подачи разделяемого вещества, приемники изотопов, отличающееся тем, что источник ионов открытого типа выполнен в виде расположенных в вакуумной камере на общей оси катода и анода, двух электродов приемников легких изотопов, отрицательных относительно анода, выполненных в виде охлаждаемых кольцевых дисков с диаметром внутреннего отверстия, меньшим диаметров катода и анода, и расположенных за пределами разрядного промежутка, а приемник тяжелых изотопов выполнен в виде охлаждаемого периферийного цилиндрического электрода, установленного соосно с катодом и анодом и отрицательного относительно анода.