УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ Российский патент 1998 года по МПК B01D59/48 

Изобретение относится к разделению изотопов и может быть использовано при создании обогатительного каскада процесса производства стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов, а также в системах очистки целевого продукта от посторонних примесей и при нанесении различных покрытий на подложку.

Широкоизвестны устройства, основанные на электромагнитном способе разделения изотопов [1,2], именуемых в дальнейшем разделяемым веществом, в которых ионы создаются в дуговом разряде ионного источника, а затем ускоряются электростатическим полем в ионно-оптической системе. При этом в щели источника формируется клиновидный пучок ионов, ток которого зависит от массы иона, ускоряющего напряжения, геометрии системы и ограничивается объемным зарядом, создаваемым пучком. Ускоренные ионы сепарируются по массам в поперечном магнитном поле, описывая круговые траектории с радиусом, зависящим от массы иона, их энергии и величины магнитного поля, и собираются на приемном устройстве, выполненном в виде пластин, расположенных вдоль образующих цилиндра. Характерная величина ионного тока составляет ≈100-200 мА, ускоряющее напряжение ≈30 кВ, напряженность магнитного поля ≈4 кЭ.

Устройства с электромагнитным разделением изотопов позволяют получить высокую степень обогащения, но имеют малую производительность и чрезмерно высокую удельную мощность.

Использование устройства с магнитогидродинамическим разделением изотопов [3] , выбранного в качестве прототипа, в значительной степени снимает ограничения по производительности процесса обогащения разделяемого вещества. Эти устройства используют цилиндрическую осесимметричную систему, включающую источник ионов разделяемого вещества, обеспечивающий его ионизацию в разряде с накаленным катодом, расположенный на оси системы вдоль магнитного поля; систему коллекторов ускоренных в замкнутом цилиндрическом холловском слое [4] ионов, обеспечивающую собирание тяжелой компоненты разделяемого вещества на приемном коаксиальном коллекторе, а легкой компоненты, не достигающей приемного коллектора и дрейфующей вдоль магнитного поля, - на торцевые стенки камеры сепаратора.

В данном устройстве источник ионов имеет низкую эффективность, определяемую однократным пролетом электронов, двигающихся вдоль магнитного поля от катода к аноду.

Кроме того, все ионы разделяемого вещества имеют одинаковую энергию, приобретаемую в ускоряющем слое, и определяемую разностью потенциалов между источником и поверхностями собирающих коллекторов - цилиндрического для тяжелой компоненты и торцевых для легкой. В этом случае при энергии ионов порядка сотен вольт имеет место катодное распыление осаждаемого вещества на всех собирающих поверхностях, что приводит к снижению степени обогащения разделяемого вещества из-за взаимного перемешивания его компонент - тяжелой и легкой.

Габаритный радиальный размер R_кр известного устройства [3] определяется соотношением:
R_кр=(R²-r²)/2R, (1)
где
R - радиус цилиндрического коллектора (приемника), приближенно равный ларморовскому радиусу иона тяжелой компоненты, r - радиус внешней границы цилиндрического холловского слоя. Для выбранного разделяемого вещества величина R_кр зависит от ускоряющего напряжения и напряженности используемого магнитного поля и может быть достаточно существенной.

Задачей изобретения является создание устройства для разделения изотопов с более высокой производительностью и степенью обогащения тяжелой компоненты разделяемого вещества при меньшей удельной мощности.

Задача решена тем, что в устройстве для разделения изотопов, содержащем магнитную систему, охватывающую вакуумную камеру, в которой соосно с магнитной системой размещены источник ионов открытого типа с катодом, анодом и системой подачи разделяемого вещества, а также приемные коллекторы изотопов, катод источника ионов выполнен с цилиндрической эмиттирующей поверхностью, анод состоит по крайней мере из одного осесимметричного плоского электрода, расположенного у торцевой поверхности катода, перпендикулярно оси магнитной системы и перекрывающего радиальное пространство источника, кроме того, источник ионов снабжен двумя дополнительными цилиндрическими электродами, коаксиальными катоду и ограничивающими разрядное пространство, с промежутком между ними в качестве окна источника ионов величиной h_о и внутренним радиусом R_и, который определяется из соотношения:
,
где:
R_к - радиус цилиндрического катода;
m_e, e - масса и заряд электрона, соответственно;
c - скорость света;
K - коэффициент, учитывающий диамагнетизм газоразразрядной плазмы;
Ф_а-к - разность потенциалов между анодом и катодом;
B - индукция магнитного поля;
а приемные коллекторы изотопов выполнены в виде системы цилиндрических электродов, причем один из коллекторов, для тяжелой компоненты, охватывает источник ионов в области его окна и имеет высоту h, величина которой не менее высоты окна h_о, и внутренний радиус Rткол

, определяемый из соотношения:
,
где:
Mтi - масса иона тяжелой компоненты;
Ф_к - потенциал коллектора тяжелой компоненты;
Ф_и - потенциал анода источника ионов;
при этом потенциал Ф_и более положительный, чем Ф_к;
а другой коллектор, для легкой компоненты, состоящий по крайней мере из одного электрода для легкой компоненты, охватывает источник ионов вне окна, имеет отрицательный потенциал относительно коллектора для тяжелой компоненты и внутренний радиус этого электрода - Rлкол удовлетворяет соотношению:
,
где
Млi масса иона легкой компоненты.

Для обоснования достижения поставленной задачи за счет использования совокупности перечисленных выше признаков заявляемого устройства рассмотрим предлагаемую конструкцию источника ионов, представленную на фиг. 1 со схематическим изображением траектории движения электронов в разрядном пространстве в направлении, перпендикулярном оси устройства (фиг.2). В состав источника ионов 1 входят: парогенераторы 2 с подводящими трубками 3 и эжекторами пара 4; катод в виде цилиндрического электронного эмиттера 5 с нагревателем 6; два дополнительно введенных ограничительных электрода 7 с промежутком между ними размером h_о в качестве окна источника ионов 1; электроды анода 8, один из которых перекрывает радиальное пространство источника.

При такой конструкции источника и выполнении условия R_и≥ R_к+ 2ρ_e ( ρ_e - ларморовский радиус электрона) электроны, поступающие с эмиттера 5, не достигают дополнительно введенных ограничительных электродов 7, а совершают многократные колебания в объеме источника, ограниченном внутренним радиусом источника R_и и радиусом эмиттера R_к. Дрейфуя вдоль магнитного поля к аноду, перекрывающему все радиальное пространство источника, они многократно совершают ионизацию, что и приводит к значительно большей степени ионизации перерабатываемого вещества и снижению удельных энергозатрат в данном устройстве по сравнению с прототипом.

Наличие замкнутого азимутального тока (поз. 9 на. фиг.2), обеспечивающего максимальную эффективность ионизации при соответствующем выборе разности потенциалов между катодом и анодом Ф_а-к, приводит к снижению величины магнитного поля в объеме источника ионов (эффект диамагнетизма) до величины, равной ВК, где К - коэффициент, учитывающий диамагнетизм газоразрядной плазмы и зависит от тока разряда (К ≤ 1).

Тогда ларморовский радиус электрона определяется выражением
,
и для внутреннего радиуса источника получаем соотношение:
.

Невыполнение этого условия приводит к уходу электронов из объема разряда на электроды 7 и снижению эффективности ионизации перерабатываемого вещества аналогично тому как это происходит в прототипе.

Оценки показывают, что в рассматриваемой конструкции источника степень ионизации паров разделяемого вещества достигает 95-97%.

Кроме того, предлагаемый источник ионов обладает значительно большей эмиттирующей поверхностью катода по сравнению с прототипом. В предлагаемом устройстве она равна 2π(R_и- 2ρ_e)*h_к, а в прототипе - πR2и

, где h_к - высота катода. Так как ρ_e ≪ R_и и h_к>>R_и, то ясно, что величина полного тока разряда в источнике ионов значительно (≈ в 10 и более раз) выше в предлагаемом устройстве.

Таким образом, предлагаемый источник ионов обладает не только значительно большей эффективностью благодаря высокой степени ионизации рабочего вещества, но и значительно большей производительностью и меньшей удельной мощностью по сравнению с прототипом.

Если в устройстве для разделения изотопов (далее сепараторе) обеспечить распределение потенциала, как это показано на фиг. 3, базирующееся на квазинейтральности плазменного промежутка [4], то ускорение ионов происходит в слое R_с - R_и, где R_с - радиус границы ускоряющего слоя сепаратора (фиг.3,6). При этом из решения уравнения движения ионов с учетом закона сохранения энергии для случая Ф_и больше Ф_к при нулевой начальной азимутальной скорости ионов на поверхности плазмы источника и нулевой радиальной скорости ионов тяжелой компоненты у коллектора следует, что внутренний радиус последнего должен удовлетворять соотношению

где
ρтi

- ларморовский радиус иона тяжелой компоненты.

Тогда при R_и/Rткол

≪ 1, имеем

Отсюда при заданной геометрии системы и потенциалах можно определить необходимую величину магнитного поля или наоборот. Полагая (Ф_к/Ф_и) ≈ 0,75, мы имеем возможность разместить приемный коллектор тяжелой компоненты не на расстоянии R_кр≈ 2ρтi, как в прототипе, а на расстоянии Rткол≈ ρтi, что существенно уменьшает поперечные габариты сепаратора или величину магнитного поля. Кроме того, при выполнении соотношения (3) ионы тяжелой компоненты поступают на приемный коллектор с энергией (Ф_и - Ф_к)<< Ф_и, что существенно снижает эффект катодного распыления, а это в свою очередь ведет к повышению степени обогащения тяжелой компоненты.

Если принять схему установки приемных коллекторов таким образом, как это показано на фиг. 4 (позиции конструктивных элементов см. на фиг. 5), то ионы легкой компоненты совершают поперечные колебания между источником ионов и приемным коллектором тяжелой компоненты, который они не достигают (вследствие малой массы их ларморовский радиус с учетом тормозящего поля меньше (Rткол

- R_с)). Дрейфуя вдоль магнитного поля они в конечном счете собираются на приемном коллекторе легкой компоненты, установленном на большом расстоянии от источника, и имеющем потенциал, близкий к нулю. Поскольку приемный коллектор ионов легкой компоненты имеет потенциал более отрицательный, чем Ф_к, то ларморовский радиус ионов легкой компоненты в этой части пространства сепаратора существенно превышает (Rткол- R_с), но меньше двух ларморовских радиусов, что и позволяет разместить коллектор ионов легкой компоненты на радиусе, большем по сравнению с

В результате удается не только пространственно разделить размещение приемных коллекторов, но и практически устранить как распыление тяжелой компоненты, так и возможность поступления распыляемой легкой компоненты на коллектор тяжелой компоненты разделяемого вещества, вследствие отсутствия прямой видимости между собирающими поверхностями коллекторов.

Кроме того, ограничитель щели источника ионов 7 более четко фиксирует поверхность, с которой стартуют ионы в сепаратор, тем самым увеличивая степень обогащения тяжелой компоненты за счет соблюдения дисперсионных характеристик. А условие выполнения высоты h цилиндрического электрода коллектора для тяжелой компоненты не менее высоты окна h_о источника ионов, равной промежутку между ограничительными электродами, необходимо для устранения потерь тяжелой компоненты, а следовательно, обеспечивает сохранение высокой производительности устройства.

Сопоставительный анализ конструктивных особенностей предлагаемого устройства с прототипом и отсутствие описания аналогичного устройства для разделения изотопов в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии критерию изобретения "новизна".

В предлагаемом изобретении представлена конструкция устройства для разделения изотопов, включающая оригинальный источник ионов с высокой эффективностью ионизации разделяемого вещества и согласованная с ним система сепарации с тормозящим слоем тяжелой компоненты, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Окончательная конструкция устройства для разделения изотопов с описанным выше источником ионов представлена на фиг. 5, а схема траекторий ионов в сепараторе - на фиг. 6. Эффективная ионизация пара разделяемого вещества происходит в источнике ионов 1, состоящем из системы генерации и подачи пара рабочего вещества 2,3,4, эмиттера электронов 5 с нагревателем 6 и двумя ограничительными электродами 7, электродов анода 8, источников накала 10 и разрядного напряжения 11; ускорение ионов осуществляется при подаче потенциала от источника напряжения 12 на анод источника ионов 1 по отношению к корпусу 13 вакуумной камеры 19, потенциал которого равен нулю; разделение изотопов на тяжелую и легкую компоненты происходит в пространстве сепаратора между источником ионов 1 и приемным коллектором тяжелой компоненты 14, потенциал которого равен Ф_k, и коллектором легкой компоненты 15, потенциал которого равен нулю; магнитная система сепаратора основана на использовании соленоидальных катушек 16, питаемых от источника тока 17, и магнитопроводов 18, обеспечивающих однородное магнитное поле в устройстве; все элементы устройства, кроме катушек 16 и магнитопроводов 18, располагаются в вакуумной камере 19.

Устройство работает следующим образом. После откачки вакуумной камеры 19 включаются парогенераторы 2 и нагреватель эмиттера 10. Разделяемое вещество разогревается до температуры, обеспечивающей заданное давление паров в источнике ионов 1, и устанавливается требуемое значение температуры эмиттера 5. Одновременно включаются источники питания магнитного поля и устанавливается требуемое значение индукции магнитного поля в области сепарации (В). После разогрева эмиттера 5 на электроды 8, включением источника разрядного напряжения 11, между анодом и катодом разряда подается разность потенциалов равная Ф_a-k (порядка 100 В), и в парах разделяемого вещества зажигается газовый разряд, приводящий к снижению индукции магнитного поля в источнике ионов (ВК). По достижении требуемого режима работы источника ионов 1 включается источник ускоряющего напряжения (Ф_и) 12, происходит формирование анодного слоя 20 с радиусом R_с, радиальное ускорение ионов и их сепарация на тяжелую 21 и легкую 22 компоненты в поперечном магнитном поле устройства. Одновременно с включением источника напряжения 12 на приемный коллектор тяжелой компоненты 14 разделяемого вещества подается тормозящий потенциал Ф_k. В результате сепарации ионов тяжелая компонента 21 собирается на коллекторе 14, а легкая 22 на коллекторе 15. Для исключения попадания легкой компоненты на коллектор тяжелых изотопов в пусковом режиме возможен, например, запуск системы на балластном веществе с последующим замещением его рабочим веществом.

После накопления требуемого количества тяжелой компоненты разделяемого вещества осуществляется отключение всех источников питания и очистка приемных коллекторов 14 и 15. Затем процесс разделения вещества может быть продолжен с включением устройства в указанном порядке.

В качестве примера рассмотрим применение изобретения для разделения изотопов Ca, где целевым продуктом являются изотопы Ca₄₆, и Ca₄₈ (тяжелая компонента), являющийся важным элементом для медицинской промышленности и ядерно-физических исследований. В природном Ca содержание этих изотопов составляет Ca₄₆ (0,0032%) и Ca₄₈(0,18%), в то время как Ca₄₀ (96,94%) - легкая компонента. Стоимость тяжелых изотопов на мировом рынке в настоящее время составляет ≈390 долл/мг.

Использование двухкаскадной схемы разделения изотопов, где в качестве первого каскада используется сепаратор прототипа [3], а в качестве второго - стандартный электромагнитный сепаратор [1], позволяет получить 1 г целевого продукта в течение 460 ч.

В предлагаемом устройстве вес целевого продукта на коллекторе в одном цикле переработки определяется как:
G_к= α(1 - p)G, (5) ,
где
G_k - вес целевого продукта на коллекторе;
α - - коэффициент, учитывающий распыление и перемешивание тяжелой и легкой компонент;
P - вероятность ионизации вещества в источнике ионов;
G - вес исходного содержания целевого продукта в перерабатываемом веществе.

Коэффициент обогащения для первого цикла л₁=С₁/C₀, где C₀ - относительное содержание целевого продукта в исходном материале, C₁ - относительное содержание целевого продукта на коллекторе после первого цикла.

Вес смеси на коллекторе тяжелой компоненты после первого цикла составит:
G₁ = PG/k₁= PG(C₀+ α(1 - P)/P), (6) ,
после n-го цикла:
G_n = PG_n-1/k_n= PG_n-1(C_n-1+ α(1 - P)/P). (7) .

Таким образом, для α ≅ 0,999 и p ≅ 0,97 имеем, что для получения того же количества вещества требуется приблизительно в 2 раза меньше времени при проведении 4 циклов очистки. На самом деле выигрыш может быть значительно больший, поскольку расход пара можно увеличить в 10 и более раз при сохранении степени ионизации P на уровне 0,95 за счет применения предлагаемого источника ионов.

Таким образом, преимущество предлагаемого устройства по сравнению с прототипом составляет по производительности при сохранении степени очистки на уровне α ≅ 0,99 в 2 и более раз.

Источники информации.

1. Арцимович Л. А. , Щепкин Г.Я., Жуков В.В. и др. // Атомная энергия, 1957, т.3, N 12, с.483.

2. Морозов П.М., Маков Б.Н., Иоффе М.С. // Атомная энергия, 1957, т.3, N 11, с.272.

3. Земелев А. Г. , Чусов И.В., Скобалланович Д.М., Жаринов А.В. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления, Заявка N 94042655/26 от 12.11.94 (положительное решение от 27.03.96, опубл. 20.09.96. Бюл.N26) - прототип.

4. Абдюханов М.А., Гришин С.Д., Ерофеев В.С. и др. Ионные ускорители с анодным слоем. М.: ГОНТИ, N 1, 1975.

Изобретение относится к разделению изотопов и может быть использовано при создании обогатительного каскада процесса производства стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов, а также в системах очистки целевого продукта от посторонних примесей и при нанесении различных покрытий на подложку. Устройство содержит магнитную систему, охватывающую вакуумную камеру, в которой соосно с магнитной системой размещен газоразрядный источник ионов открытого типа, имеющий катод с цилиндрической эмиттирующей поверхностью и по крайней мере один анод, расположенный у торцевой поверхности катода перпендикулярно оси магнитной системы. Источник ионов дополнительно снабжен двумя цилиндрическими электродами, размещенными коаксиально катоду и ограничивающими разрядное пространство, с промежутком между ними в качестве окна источника. Внутренний радиус электродов определяется из условий максимальной эффективности работы источника ионов разделяемого вещества. В состав устройства входят также приемные коллекторы изотопов, выполненные в виде группы цилиндрических электродов. Один из приемных коллекторов, предназначенный для тяжелой компоненты, охватывают источник ионов в области его окна и имеет высоту не менее высоты окна и внутренний радиус, определяемый из условия минимальной энергии тяжелых ионов на поверхности коллектора, а потенциал его не превышает потенциал анода. Другие приемные коллекторы предназначены для легкой компоненты и охватывают источник ионов в областях вне окна и имеют внутренний радиус, превышающий радиус электрода для тяжелой компоненты, а потенциал - отрицательный относительно потенциала электрода для тяжелой компоненты. 6 ил.

Устройство для разделения изотопов, содержащее магнитную систему, охватывающую вакуумную камеру, в которой соосно с магнитной системой размещены источник ионов открытого типа с катодом, анодом и системой подачи разделяемого вещества, а также приемные коллекторы изотопов, отличающееся тем, что катод источника ионов выполнен с цилиндрической эмиттирующей поверхностью, анод состоит по крайней мере из одного осесимметричного плоского электрода, расположенного у торцевой поверхности катода, перпендикулярно оси магнитной системы и перекрывающего радиальное пространство источника, кроме того, источник ионов снабжен двумя дополнительными цилиндрическими электродами, коаксиальными катоду и ограничивающими разрядное пространство, с промежутком между ними в качестве окна источника ионов величиной h_o и внутренним радиусом R_и, который определяется из соотношения

где R_к - радиус цилиндрического катода;
m_е, е - масса и заряд электрона, соответственно;
с - скорость света;
К - коэффициент, учитывающий диамагнетизм газоразрядной плазмы;
Ф_а - к - разность потенциалов анода и катода;
В - индукция магнитного поля,
а приемные коллекторы изотопов выполнены в виде системы цилиндрических электродов, причем один из коллекторов, для тяжелой компоненты, охватывает источник ионов в области его окна и имеет высоту h, величина которой не менее высоты окна h_о, и внутренний радиус Rткол

, определяемый из соотношения

где Mтi - масса иона тяжелой компоненты;
Ф_к - потенциал коллектора тяжелой компоненты;
Ф_и - потенциал анода источника ионов,
при этом потенциал Ф_и более положительный, чем Ф_к,
а другой коллектор, для легкой компоненты, состоящий по крайней мере из одного электрода для легкой компоненты, охватывает источник ионов вне окна, имеет отрицательный потенциал относительно коллектора для тяжелой компоненты и внутренний радиус этого электрода Rлкол удовлетворяет соотношению:

где Mлi - масса иона легкой компоненты.