УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО МАССАМ Российский патент 1997 года по МПК B01D59/48 H01J49/26 

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования при разделении заряженных частиц, а также может быть использовано для выделения изотопов из их естественной смеси.

Известно несколько устройств для разделения заряженных частиц по массам электромагнитным методом. Устройства разработаны в процессе поиска методов разделения изотопов и методов управления пучками заряженных частиц в ускорительной технике. Для разделения заряженных частиц используют центробежную силу и силу Лоренца, действующие на движущиеся в электрическом и магнитном поле заряженные частицы.

Известно устройство ускоритель прямого действия, в котором одновременно с ускорением ионов различного типа осуществляется их селекция (И.А. Кащеев, В. А. Дергачев. Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ. М. Энергоатомиздат. 1989). Устройство содержит вакуумную камеру, в которой помещены источник ионов, электроды, формирующие электростатическое поле с продольной и радиальной составляющими вектора напряженности, источник магнитного поля в виде катушки, формирующей статическое магнитное поле, пространственно смещенное с электрическим, и приемник заряженных частиц.

Недостатком такого устройства является низкая селективность разделения заряженных частиц по массам и ограниченная возможность управления пучками заряженных частиц.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для разделения заряженных частиц по массам, в котором разделение частиц осуществляется в электрическом и магнитном полях кольцевых витков и кольцевых катушек (см. пат. РФ N 1772939, МПК⁵ В 01 D 59/48, H 05 H 5/00). Устройство содержит вакуумную камеру, в которой помещены источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц, приемник заряженных частиц, электроды, формирующие электростатическое поле с продольной и радиальной составляющими вектора напряженности, источник магнитного поля в виде катушки, формирующей статическое магнитное поле, пространственно смещенное с электрическим. Для повышения селективности в устройстве имеются кольцевые электроды и кольцевые катушки, расположенные в местах поворота по радиусу заряженных частиц и образующие статические аксиально-симметричные возмущающие поля с мультипольной, дипольной или квадрупольной структурой. Источник и приемник заряженных частиц выполнены кольцевыми и соосными. Сепаратор состоит из электродов, формирующих электростатическое поле, катушки, формирующей статическое магнитное поле, пространственно совмещенное с электростатическим, кольцевых электродов и катушек, формирующих электрическое и магнитные поля, кольцевых электродов и кольцевых катушек, образующих возмущающие поля.

Недостатками описанного устройства являются, во-первых, низкая селективность при разделении заряженных частиц по массам вследствие ограниченных возможностей расщепления пучков изотопных ионов, т.е. это устройство не позволяет закручивать по круговой орбите только один пучок легких изотопных ионов, закручивать пучки легких и тяжелых изотопных ионов по единой круговой орбите, опускать пучок тяжелых изотопных ионов с круговой орбиты на прямолинейную траекторию, опускать оба пучка легких и тяжелых изотопных ионов с единой круговой орбиты на прямолинейные траектории; во-вторых, большие потери разделяемого вещества, т.к. устройство работает с рассеянными потоками ионов; в-третьих, высокое энергопотребление вследствие использования энергоемкой торовидной катушки источника магнитного поля; в-четвертых, большие габариты из-за применения громоздкого источника магнитного поля в виде катушки с обмоткой и магнитопроводом.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для разделения заряженных частиц по массам, содержащем вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц и приемник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц выполнен в виде изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц труб, установленных друг в друге с общим внутренним касанием в порядке убывания радиусов изгиба труб в направлении от области их касания, и снабженных продольными щелевыми прорезями, которые размещены со стороны наибольшего радиуса изгиба каждой трубы в плоскости симметрии труб, и введенного в устройство центрального проводника, расположенного концентрично трубе меньшего диаметра внутри нее, а источник заряженных частиц размещен между центральным проводником и местом касания всех труб.

Целью изобретения является повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам, сокращение потерь разделяемого вещества, снижение энергопотребления и уменьшение габаритов устройства для разделения заряженных частиц по массам.

Повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам обеспечивается вследствие увеличения возможностей расщепления пучков изотопных ионов, т.е. предлагаемое устройство позволяет закручивать по круговой орбите только пучок легких изотопных ионов, закручивать пучки легких и тяжелых изотопных ионов по различным круговым орбитам, закручивать пучки легких и тяжелых изотопных ионов по единой круговой орбите, опускать пучок тяжелых изотопных ионов с круговой орбиты на прямолинейную траекторию, опускать оба пучка изотопных ионов с единой круговой орбиты на прямолинейные траектории, опускать оба пучка легких и тяжелых изотопных ионов с различных круговых орбит на прямолинейные траектории.

Сокращение потерь разделяемого вещества достигается путем разделения нерассеянных узких пучков изотопных ионов. Разделение нерассеянных узких пучков изотопных ионов обеспечивается при определенной последовательности расположения изогнутых труб в зависимости от их радиуса кривизны.

Снижение энергопотребления обеспечивается вследствие того, что предлагаемый в устройстве сепаратор одновременно выполняет функцию источника магнитного поля и позволяет исключить энергоемкие электромагниты.

Уменьшение габаритов устройства достигается за счет получения максимального расщепления на малой длине сепаратора, а также вследствие выполнения сепаратора в виде системы труб, являющейся одновременно источником магнитного поля, что исключает применение громоздких электромагнитов.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц по массам; на фиг. 2 вертикальный разрез сепаратора заряженных частиц; фиг. 3 вид сверху сепаратора заряженных частиц.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены источник 2 заряженных частиц, состоящий из ионизационной камеры 3 и формирующих вытягивающее электрическое поле электродов 4, изоляторы 5, сепаратор 6 заряженных частиц, выполненный в виде изогнутых с разными радиусами по дугам круговых орбит заряженных частиц труб 7,8,9, установленных друг в друге с общим внутренним касанием, в порядке убывания радиусов изгиба труб в направлении от области их касания, и центрального проводника 10, приемники 11 и 12 заряженных частиц.

Сепаратор заряженных частиц, изготовленный в виде системы расходящихся труб 7,8,9, по которым протекают постоянные по направлению электрические токи, формирующие статическое магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами для разделения изотопов, одновременно является источником магнитного поля. Магнитными барьерами являются повышенные значения магнитной индукции в напряженных областях пространства около указанных труб. Сепаратор 6 содержит трубу 7 большого диаметра, изготовленную из проводящего или сверхпроводящего электрический ток материала, трубу 8 среднего диаметра, изготовленную из проводящего или сверхпроводящего материала, трубу 9 меньшего диаметра из проводящего или сверхпроводящего материала, центральный проводник 10 из проводящего или сверхпроводящего материала и изоляторы 5. Проводящие или сверхпроводящие трубы 7,8,9 имеют различные диаметры и расположены друг в друге с общим внутренним касанием, т.е. один конец одной трубы 7 совмещен в одной и той же точке с одним концом второй трубы 8 и с одним концом третьей трубы 9. Каждая из труб 7,8,9 и центральный проводник 10 расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через оси всех труб 7,8,9 и центрального проводника 10. Каждая из труб 7,8,9 загнута по дуге окружности, радиус которой соответствует радиусу круговой орбиты заряженных частиц. В каждой из труб 7,8,9 со стороны наибольшего радиуса изгиба каждой трубы прорезана продольная щель, при этом оси щелей лежат в плоскости симметрии труб 7,8,9 и центрального проводника 10. Центральный проводник 10 расположен внутри трубы 9 меньшего диаметра концентрично ей. Данное последовательное расположение изогнутых труб обеспечивает разделение пучков заряженных частиц в зависимости от их массы. Проводник 10 и труба 9 дистанцированы изоляторами 5. Источник заряженных частиц 2 размещен между проводником 10 и местом касания всех труб 7,8,9.

Для индуцирования магнитного поля с магнитными барьерами вдоль центрального проводника 10 и вдоль каждой из труб 7,8,9 необходимо подать электрический ток в одном направлении и по трубам 7,8,9 и по центральному проводнику 10. Положительный потенциал при этом, общий для всех труб 7,8,9 и центрального проводника 10 подается на концы труб 7,8,9 и центрального проводника 10 в том конце сепаратора 6, в котором вводятся разделяемые положительно заряженные частицы. Отрицательные потенциалы подаются на концы труб 7,8,9 и центрального проводника 10 в другом конце сепаратора 6, в котором выводятся разделенные положительно заряженные частицы. Значения разности потенциалов регулируются, при этом изменяются электрические токи по трубам 7,8,9 и по центральному проводнику 10. Распределение индукции по радиусу сепаратора 6 заряженных частиц в зоне разделения заряженных частиц таково, что получается поле с расходящимися барьерами магнитной индукции.

Предлагаемое устройство для разделения заряженных частиц по массам работает следующим образом.

Принцип работы предлагаемого сепаратора заряженных частиц по массам заключается в том, что разделение заряженных частиц происходит на расходящихся магнитных барьерах магнитного поля.

В ионизационной камере 3 источника 2 заряженных частиц происходит ионизация молекул разделяемых заряженных частиц, после чего ионы вытягиваются электрическим полем между электродами 4 источника 2 заряженных частиц и затем поступают в сепаратор 6.

Смесь разделяемых заряженных частиц подается из источника 2 заряженных частиц в сепаратор 6 заряженных частиц, в плоскости симметрии сепаратора 6, в пространство между центральным проводником 10 и местом соединения труб 7,8,9. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка в месте соединения труб 7,8,9 создан всеми электрическими токами по трубам 7,8,9 и электрическим током по центральному проводнику 10, и поэтому магнитный барьер легко держит разделяемые заряженные частицы на единой мгновенной круговой орбите. По мере движения заряженные частицы попадают в область расхождения труб 7,8,9, т.е. в область расхождения электрических токов, в область магнитного поля с расходящимися магнитными барьерами и меньшими значениями магнитной индукции. Здесь электрическим током по трубе 9 меньшего диаметра и электрическим током по центральному проводнику 10 сформирован магнитный барьер такой высоты, и магнитная индукция поддерживается на таком уровне, когда пучок легких заряженных частиц остается на орбите, имеющей малый радиус, а пучок тяжелых заряженных частиц сходит с орбиты, имеющей малый радиус. Пучок тяжелых заряженных частиц в этом случае идет по орбите, имеющей средний радиус, или по орбите, имеющей большой радиус, или идет по прямолинейной траектории. Удержание пучка тяжелых заряженных частиц на орбите, имеющей средний радиус, производится другим магнитным барьером, т.е. достаточным значением магнитной индукции, созданной электрическим током, протекающим по трубе 8 среднего диаметра, электрическим током по трубе 9 меньшего диаметра и электрическим током по центральному проводнику 10. Понижение магнитного барьера вдоль трубы 8 среднего диаметра приводит к переходу пучка заряженных частиц со средней орбиты на орбиту большего радиуса, орбиту вдоль магнитного барьера около трубы 7 большого диаметра. Магнитный барьер вдоль трубы 7 большого диаметра индуцирован электрическим током по трубе 7 большого диаметра, электрическими токами по трубам 8 и 9 и электрическим током по центральному проводнику 10. Понижение магнитного барьера вдоль трубы 7 большого диаметра приводит к переходу пучка заряженных частиц с орбиты, имеющей большой радиус, на прямолинейную траекторию. Если требуется заряженные частицы перевести с орбиты, имеющей большой радиус, на орбиту, имеющую меньший радиус, то для этого увеличивают электрический ток, протекающий по трубе меньшего диаметра. Увеличение магнитной индукции, созданной током, протекающим по трубе меньшего диаметра, выводит заряженные частицы с орбиты, имеющей большей радиус, на орбиту, имеющую меньший радиус.

Важнейшей особенностью сепаратора заряженных частиц является возможность закрутить по круговой орбите только легкие заряженные частицы, практически не изменяя прямолинейную траекторию тяжелых заряженных частиц. Расщепление l₁ пучков изотопных ионов в этом случае максимально и равно: l₁ R₁ R₁cos α где a угол поворота легкого изотопного иона по круговой орбите радиуса R₁. Подразумевается, что угол a < π/2 Протяженность L₁ зоны разделения заряженных частиц по массам в этом случае становится минимальной и определяется по формуле: L₁ R₁ α₁ где угол α₁ измеряется в радианах. Такой сепаратор заряженных частиц имеет небольшие размеры.

После сепаратора разделенные заряженные частицы попадают в приемники 11, 12 заряженных частиц и накапливаются в них.

Приемники 11, 12 заряженных частиц изготовлены в виде карманов, каждый из которых предназначен для сбора заряженных частиц одной массы. Приемники 11, 12 заряженных частиц электрически отделены от вакуумной камеры 1 изоляторами 5.

Производительность устройства для разделения заряженных частиц по массам определяется током извлекаемых из источника ионов, растет при увеличении напряженности вытягивающего поля в устройстве, ширины и длины отверстия экстракции источника. Величина тока извлекаемых из источника ионов накладывает требования на размеры сепаратора и приемника заряженных частиц.

Изобретение по сравнению с известными техническими решениями в этой области позволяет повышать селективность при разделении заряженных частиц по массам, т. к. велико расщепление пучков изотопных ионов, сократить потери разделяемого вещества, т.к. разделяются узкие пучки изотопных ионов, снизить энергопотребление во время разделения частиц, т.к. отсутствуют энергоемкие электромагниты, уменьшить габариты устройства, т.к. во-первых, максимальное расщепление достигается на малой длине сепаратора, во-вторых, не требуется применение громоздких электромагнитов.

Кроме того, при использовании изобретения уменьшаются экономические затраты на заработную плату, амортизацию оборудования и его эксплуатацию, т.к. заявляемое устройство для разделения заряженных частиц по массам имеет малые размеры, не требует применения дорогих и громоздких электромагнитов.

Предлагаемое устройство для разделения заряженных частиц по массам испытано в режиме моделирования разделяемых ионных пучков не магнитными проводниками с электрическими токами. Легкие заряженные частицы моделированы легким не магнитным проводником с электрическим током. Тяжелые заряженные частицы моделированы тяжелым не магнитным проводником с таким же электрическим током.

Использование: ядерная техника. Сущность: в вакуумной камере размещены источник заряженных частиц, изоляторы, сепаратор заряженных частиц и приемник заряженных частиц. Источник заряженных частиц содержит ионизационную камеру и электроды, формирующие вытягивающее электрическое поле. Сепаратор заряженных частиц выполнен в виде изогнутых с разными радиусами по дугам круговых орбит заряженных частиц труб, установленных друг в друге с общим внутренним касанием. Трубы снабжены продольными щелевыми прорезями, которые размещены со стороны наибольшего радиуса изгиба каждой трубы в плоскости симметрии труб. Концентрично трубе меньшего диаметра внутри нее размещен центральный проводник. Между центральным проводником и местом касания всех труб размещен источник заряженных частиц. Разделение заряженных частиц по массам происходит на расходящихся магнитных барьерах магнитного поля, сформированного расходящимися трубами сепаратора, по которым протекают постоянные по направлению электрические токи. Технический результат заключается в повышении селективности при разделении заряженных частиц по массам, сокращении потерь разделяемого вещества, снижении энергопотребления и уменьшении габаритов устройства. 3 ил.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц и приемник заряженных частиц, отличающееся тем, что сепаратор заряженных частиц выполнен в виде изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц труб, установленных одна в другой с общим внутренним касанием в порядке убывания радиусов изгиба труб в направлении от области их касания и снабженных продольными щелевыми прорезями, которые размещены со стороны наибольшего радиуса изгиба каждой трубы в плоскости симметрии труб, и введенного в устройство центрального проводника, расположенного концентрично трубе меньшего диаметра, внутри нее, а источник заряженных частиц размещен между центральным проводником и местом касания всех труб.