УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО МАССАМ Российский патент 1999 года по МПК B01D59/48 H01J49/30 

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.

Ранее известные устройства разработаны в процессе поиска надежных методов разделения изотопов и методов управления заряженных частиц в ускорительной технике и плазменной технике.

Известно устройство для разделения заряженных частиц в плазме, которое для уменьшения размеров магнитной системы и повышения эффективности нагрева плазмы методом ионного циклотронного резонанса содержит вакуумную камеру, источник заряженных частиц, выполненный в виде источника плазмы кольцеобразной формы, сепаратор заряженных частиц в виде соленоида с магнитной системой однородного и неоднородного полей, высокочастотную антенну и приемник заряженных частиц в виде коллекторного блока (см. патент РФ N 2089272, 6B 01 D 59/44, H 01 J 49/26).

Недостатком известного 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 плазменный масс-сепаратор, в котором разделение частиц осуществляется на участках однородного и неоднородного магнитных полей катушек с обмоткой, выполненных в виде соленоидов, при селективном нагреве в плазме ионов выбранного изотопа. Селективный нагрев ионов выбранного изотопа воздействием высокочастотных электромагнитных полей осуществляется с помощью высокочастотного генератора и антенны (см. патент РФ N 2069084, 6 B 01 D 59/48, H 01 J 49/26, H 05 H 1/02). Плазменный масс-сепаратор содержит вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, представляющий собой источник плазмы, источник электронов, сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде магнитной системы с прямым трубчатым 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, выполненным в виде изогнутых труб, высокочастотную антенну и приемник заряженных частиц, выполненный в виде коллекторов для отбора требуемых ионных компонентов. Источник электронов в плазменном масс-сепараторе выполнен в виде по крайней мере одного кольцевого эмиттера, сепаратор заряженных частиц 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.

Недостатками прототипа являются, во-первых, низкая селективность при разделении заряженных частиц 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 катушки источника магнитного поля; в-четвертых, большие габариты из-за применения громоздкого источника магнитного поля в виде катушки с обмоткой.

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, выполненный в виде изогнутых труб, и приемник заряженных частиц, трубы сепаратора изогнуты по дугам круговых орбит заряженных частиц и расположены друг в друге в порядке возрастания радиусов изгиба в направлении от области их общего внутреннего касания, в трубах сепаратора выполнены продольные щелевые прорези, которые расположены со стороны наименьшего радиуса изгиба каждой трубы в плоскости симметрии труб, источник заряженных частиц установлен вблизи места общего внутреннего касания изогнутых труб, при этом трубы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов.

Техническим результатом является повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам, сокращение потерь разделяемого вещества 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 единой круговой орбите, переводить пучок тяжелых изотопных ионов с большей орбиты на совместную с пучком легких изотопных ионов орбиту; пучок тяжелых заряженных частиц с круговой орбиты, отдельной от орбиты легких изотопных ионов, на прямолинейную траекторию, оставляя пучок легких изотопных ионов на круговой орбите; опускать пучок тяжелых заряженных частиц с круговой орбиты, общей с орбитой легких изотопных ионов, на прямолинейную траекторию, оставляя пучок легких изотопных ионов на прежней единой круговой орбите; опускать пучок тяжелых заряженных частиц с круговой орбиты, общей с орбитой легких изотопных ионов, на другую круговую орбиту, оставляя пучок легких изотопных ионов на прежней единой круговой орбите; опускать оба пучка заряженных частиц с единой круговой орбиты на прямолинейные траектории; опускать оба пучка заряженных частиц с различных круговых орбит на прямолинейные траектории.

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

Уменьшение габаритов устройства достигается за счет получения максимального расщепления на малой длине сепаратора, а также вследствие выполнения сепаратора в виде труб, выполненных с возможностью протекания по ним электрических токов и заменяющих применявшиеся в прежних устройствах громоздкие электромагниты.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц по массам; на фиг.2 - вид снизу сепаратора заряженных частиц; на фиг.3 - вертикальный разрез сепаратора 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, установленных друг в друге с общим внутренним касанием, в порядке увеличения радиусов изгиба труб в направлении от области их касания, приемники 9, 10, 11 заряженных частиц.

Сепаратор заряженных частиц, изготовленный в виде системы расходящихся труб 7, 8, 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 протяженных областях пространства около указанных труб. Сепаратор 6 заряженных частиц содержит трубу 7 большего диаметра, изготовленную из проводящего или сверхпроводящего электрический ток материала, трубу 8 меньшего диаметра, изготовленную из токопроводящего или сверхпроводящего материала, и изоляторы 5. Токопроводящие или сверхпроводящие трубы 7, 8, имеющие различные диаметры, расположены друг в друге с общим внутренним касанием, т.е. один конец трубы 7 совмещен в одной точке с одним концом второй трубы 8. Каждая из труб 7, 8 расположена симметрично относительно плоскости, проходящей через оси труб 7,8. Каждая из труб 7, 8 загнута по дуге окружности, радиус которой соответствует радиусу круговой орбиты заряженных частиц. В каждой из труб 7, 8 со стороны наименьшего радиуса изгиба каждой трубы прорезана продольная щель, при этом оси щелей лежат в плоскости симметрии труб 7 и 8. Данное последовательное расположение изогнутых труб обеспечивает разделение пучков заряженных частиц в зависимости от их массы. Источник заряженных частиц 2 размещен вблизи места общего внутреннего касания изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц труб 7, 8 сепаратора заряженных частиц.

Для индукции магнитного поля с магнитными барьерами вдоль каждой из труб 7, 8 необходимо подать электрический ток в одном направлении по трубам 7, 8. Отрицательный потенциал при этом, общий для труб 7, 8, подается на концы труб 7, 8 в том конце сепаратора 6, в котором вводятся разделяемые положительно заряженные частицы. Положительные потенциалы подаются на концы труб 7, 8 в другом конце сепаратора 6, из которого выводятся разделенные положительно заряженные частицы. Значения разности потенциалов регулируются, при этом изменяются электрические токи по трубам 7, 8. 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 заряженных частиц подается из источника 2 заряженных частиц в сепаратор 6 заряженных частиц в плоскости симметрии сепаратора 6 в пространство, находящееся между вакуумной камерой 1 и местом касания труб 7, 8 сепаратора 6 заряженных частиц. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка в месте соединения труб 7, 8 создан электрическими токами по трубам 7, 8, 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 и расхождения электрических токов, в магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами и меньшими значениями магнитной индукции. Здесь электрическим током по трубе 7 большего диаметра 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 больший радиус, или идет по прямолинейной траектории. Удержание пучка тяжелых заряженных частиц на орбите, имеющей больший радиус, производится другим магнитным барьером, т. е. достаточным значением магнитной индукции, созданной электрическим током, протекающим по трубе 8 меньшего диаметра и электрическим током по трубе 7 большего диаметра. Понижение магнитного барьера вдоль трубы 8 меньшего диаметра приводит к переходу пучка заряженных частиц с орбиты, имеющей больший радиус, на прямолинейную траекторию. Если требуется заряженные частицы перевести с орбиты, имеющей больший радиус, на орбиту, имеющую меньший радиус, то для этого увеличивают электрический ток, протекающий по трубе 7 большего диаметра. Увеличение магнитной индукции, созданной током, протекающим по трубе 7 большего диаметра, выводит заряженные частицы с орбиты, имеющей больший 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-R₁cosα₁, где α₁ - угол поворота легкого изотопного иона по круговой орбите радиуса R. Подразумевается, что угол α₁ < π/2. Протяженность L₁ зоны разделения заряженных частиц по массам в этом случае становится минимальной и определяется по формуле L₁ = R₁α₁, где угол α₁ измеряется в радианах. Такой сепаратор заряженных частиц имеет небольшие размеры.

После сепаратора разделенные заряженные частицы попадают в приемники 9, 10 и 11 заряженных частиц и накапливаются в них. Приемники 9, 10, 11 заряженных частиц изготовлены в виде карманов, каждый из которых предназначен для сбора заряженных частиц одной массы. Приемники 9, 10, 11 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.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными техническими решениями в этой области повышает селективность при разделении заряженных частиц по массам, т.к. велико расщепление не рассеянных узких пучков изотопных ионов, происходящее при размещении изогнутых труб в порядке увеличения радиусов изгиба в направлении от места касания трубок; сокращает потери разделяемого вещества, т. к. разделяются узкие пучки изотопных ионов; уменьшает габариты устройства, т.к. во-первых, максимальное расщепление достигается на малой длине сепаратора, во-вторых, не требуется применение громоздких электромагнитов.

Кроме того, при использовании предлагаемого изобретения уменьшаются экономические затраты на заработную плату, амортизацию оборудования и его эксплуатацию, т. к. заявляемое устройство для разделенных 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 немагнитными проводниками с электрическими токами. Легкие заряженные частицы моделированы легким немагнитным проводником с электрическим током. Тяжелые заряженные частицы моделированы тяжелым немагнитным проводником с таким же электрическим током.

Изобретение относится к ядерной технике. В вакуумной камере устройства для разделения заряженных частиц размещены источник заряженных частиц, изоляторы, сепаратор заряженных частиц и приемник заряженных частиц. Источник заряженных частиц, содержащий ионизационную камеру и электроды, формирующие вытягивающее электрическое поле, установлен вблизи места общего внутреннего касания изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц труб сепаратора заряженных частиц. Трубы расположены одна в другой в порядке возрастания радиусов их изгиба в направлении от области их общего внутреннего касания. Со стороны наименьшего радиуса изгиба каждой трубы в плоскости симметрии труб размещены продольные щелевые прорези труб сепаратора 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: повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам, сокращение потерь разделяемого вещества и уменьшение габаритов устройства для разделения частиц по массам. 3 ил.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде изогнутых труб, и приемник заряженных частиц, отличающееся тем, что трубы сепаратора изогнуты по дугам круговых орбит заряженных частиц и расположены одна в другой в порядке возрастания радиусов изгиба в направлении от области их общего внутреннего касания, в трубах сепаратора выполнены продольные щелевые прорези, которые расположены со стороны наименьшего радиуса изгиба каждой трубы в плоскости симметрии труб, источник заряженных частиц установлен вблизи места общего внутреннего касания изогнутых труб, при этом трубы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов.