УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО МАССАМ Российский патент 1999 года по МПК B01D59/48 H01J49/26 

Изобретение относится к ядерной техник и предназначено для использования при резделении 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 надежных методов разделения изотопов и методов управления пусками 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 совмещенное 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. патент РФ N 1772939, кл. B 01 D 59/48, H 05 H 5/00). Устройство содержит вакуумную камеру, в которой помещены соосные источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц и приспособление для сбора заряженных частиц. В вакуумной камере также размещены электроды, формирующие электростатическое поле с продольной и радиальной составляющими вектора напряженности, источник магнитного поля в виде катушки, формирующей статическое магнитное поле, пространственно совмещенное 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 многопольной, дипольной или квадрупольной структурой. Источник заряженных частиц и приспособление для сбора заряженных частиц выполнены кольцевыми. Сепаратор заряженных частиц устройства для разделения заряженных частиц состоит из электродов, формирующих электростатическое поле, катушки, формирующей статическое магнитное поле, пространственно совмещенное с электростатическим, кольцевых электродов и кольцевых катушек, формирующих электрическое и магнитное 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 пучок легких изотопных ионов, закручивать пучки легких и тяжелых изотопных ионов по раздельным разнообразным круговым орбитам, закручивать пучки легких и тяжелых изотопных ионов по единой круговой орбите и затем опускать пучок тяжелых заряженных частиц с круговой орбиты на прямолинейную траекторию; опускать пучок тяжелых заряженных частиц с круговой орбиты, отдельной от орбиты легких изотопных ионов, на прямолинейную траекторию; 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 и сердечником.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве, для разделения заряженных частиц по массам, содержащем вакуумную камеру, в которой размещены соосные источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц и приспособление для сбора заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц выполнен в виде аксиальных сужающихся по дугам орбит заряженных частиц раструбов, установленных один в другом с общим совмещением в широкой части каждого раструба при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения раструбов к противоположному концу каждого раструба и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль образующих боковых поверхностей раструбов, при этом раструбы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, а кольцевой источник заряженных частиц размещен вокруг широкой части сепаратора заряженных частиц вдоль щелевых прорезей.

Техническим результатом 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 при выполнении сепаратора заряженных частиц в виде аксиально размещенных раструбов, имеющих возможность протекания по ним постоянных по направлению электрических токов и установленных один в другом с общим совмещением в широкой части каждого раструба в порядке уменьшения поперечных сечений раструбов в направлении от области совмещения к противоположному концу каждого раструба, т.е. предлагаемое устройство позволяет закручивать по круговой орбите только пучок легких изотопных ионов, не изменяя прямолинейную траекторию тяжелых изотопных ионов; закручивать пучки легких и тяжелых изотопных ионов по раздельным круговым орбитам, расположенным вдоль магнитных барьеров; закручивать пучки легких и тяжелых изотопных ионов по единой круговой орбите и затем опускать пучок тяжелых заряженных частиц с круговой орбиты на прямолинейную траекторию; опускать пучок тяжелых заряженных частиц с круговой орбиты, отдельной от орбиты легких изотопных ионов, на прямолинейную траекторию.

Сокращение потерь разделяемого вещества достигается путем разделения не рассеянных узких пучков изотопных ионов при расположении аксиальных раструбов один в другом с общим совмещением в широкой части каждого раструба в зависимости от поперечных сечений раструбов и в зависимости от кривизны образующей боковой поверхности каждого из раструбов.

Снижение энергопотребления обеспечивается вследствие того, что предлагаемый в устройстве изготовленный в виде системы раструбов сепаратор одновременно выполняет функцию 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 раструбов, являющейся одновременно источником магнитного поля, что исключает применение громоздких электромагнитов.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц по массам, на фиг. 2 - вертикальный разрез сепаратора заряженных частиц, на фиг. 3 - вид A 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 сужающихся по дугам круговых орбит заряженных частиц раструбов 7, 8, установленных один в другом с общим совмещением в широкой части раструбов 7, 8 при уменьшении поперечных сечений раструбов 7, 8 от области совмещения к противоположному концу каждого из этих раструбов, приспособление для сбора заряженных частиц, выполненное в виде приемника 9 для легких заряженных частиц и приемника 10 для тяжелых заряженных частиц, подводящие электрический ток электроды 11, 12, 13, 14. При этом источник 2 заряженных частиц размещен вокруг широкой части сепаратора 6 заряженных частиц, приемник 9 для легких заряженных частиц и приемник 10 для тяжелых заряженных частиц размещены в области узкой части сепаратора 6 заряженных частиц, а электрод 11 установлен в области совмещения широких частей раструбов 7, 8, электроды 12, 13, 14 установлены оппозитно области совмещения широких частей раструбов 7, 8. Приемник 9 для легких заряженных частиц и приемник 10 для тяжелых заряженных частиц изготовлены в виде карманов.

Сепаратор 6 заряженных частиц, изготовленный в виде расходящихся раструбов 7, 8, соответственно большего меньшего диаметров, по которым протекают постоянные по направлению электрические токи, формирующие статическое магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами для разделения заряженных частиц, одновременно является источником магнитного поля. Сепаратор 6 заряженных частиц содержит раструб 7 большего диаметра, изготовленный из проводящего или сверхпроводящего электрический ток материала, раструб 8 меньшего диаметра, изготовленный из токопроводящего или сверхпроводящего материала, и изоляторы 5. Токопроводящие или сверхпроводящие раструбы 7, 8, являются аксиальными, имеют одинаковые поперечные сечения в начале общей широкой части и различные поперечные сечения в узких частях, расположены друг в друге с общим совмещением, т. е. широкая часть раструба 7 совмещена с широкой частью раструба 8. Раструб 7 сужается по дуге, кривизна которой соответствует кривизне орбиты легких заряженных частиц. Раструб 8 сужается по дуге, кривизна которой соответствует кривизне орбиты тяжелых заряженных частиц. Вдоль образующих боковых поверхностей каждого из раструбов 7, 8 для использования магнитного поля имеются продольные щелевые прорези 15. Данное последовательное расположение сужающихся при уменьшении поперечных сечений раструбов 7 и 8 обеспечивает разделение пучков заряженных частиц по массам.

Для индукции магнитного поля с магнитными барьерами вдоль каждого из раструбов 7, 8 необходимо подать электрический ток в одном направлении. При этом отрицательный потенциал, общий для раструбов 7, 8, подается с помощью электрода 11, размещенного в области совмещения широких частей раструбов 7, 8, где вводятся разделяемые положительно заряженные частиц. Положительные потенциалы подаются с помощью электродов 12, 13, 14, размещенных в области приемника 9 для легких заряженных частиц и приемника 10 для тяжелых заряженных частиц, где выводятся разделенные положительно заряженные частицы из сепаратора 6 заряженных частиц. Распределение индукции по радиусу сепаратора 6 заряженных частиц в зоне разделения заряженных частиц таково, что получается поле с расходящимися барьерами магнитной индукции.

Принцип работы устройства для разделения заряженных частиц по массам заключается в том, что разделение заряженных частиц происходит на расходящихся магнитных барьерах магнитного поля предлагаемого сепаратора заряженных частиц. Предлагаемое устройство для разделения заряженных частиц по массам работает следующим образом.

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 заряженных частиц.

Смесь разделяемых заряженных частиц подается из источника 2 заряженных частиц в сепаратор 6 заряженных частиц, в пространство между корпусом вакуумной камеры 1 и общей для раструбов 7, 8 широкой их частью, к началам продольных щелевых прорезей 15 в раструбах 7, 8. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка в месте соединения раструбов 7, 8 создан электрическими токами, протекающими по раструбам 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 раструбов 7, 8, т.е. в область расхождения электрических токов, в область магнитного поля с расходящимися магнитными барьерами и меньшими значениями магнитной индукции. Здесь электрическим током по раструбу 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. 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 раструбу 8 меньшего диаметра, и электрическим током, протекающим по раструбу 7 большего диаметра. Понижение магнитного барьера вдоль раструба 8 меньшего диаметра приводит к переходу пучка тяжелых заряженных частиц с орбиты, имеющей больший радиус, на прямолинейную траекторию. Если требуется заряженные частицы перевести с орбиты, имеющей больший радиус, на орбиту, имеющую меньшей радиус, то для этого увеличивают электрический ток, протекающий вдоль раструба 7 большего диаметра. Увеличение магнитной индукции, созданной током, протекающим вдоль раструба 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, или закрутить по круговой орбите легкие заряженные частицы и по любой большей орбите закрутить тяжелые заряженные частицы. Расщепление пучков изотопных ионов в первом случае максимально, и во втором случае расщепление приближено к максимальному. Протяженность зоны разделения заряженных частиц по массам в первом случае становится минимальной, а во втором случае становится приближено к минимальной. Такой сепаратор заряженных частиц и устройство для разделения заряженных частиц имеют небольшие размеры.

После сепаратора 6 заряженных частиц разделенные заряженные частицы попадают в приемник 9 для сбора легких заряженных частиц и в приемник 10 для сбора тяжелых заряженных частиц и накапливаются в этих приемниках. Приемник 9 для сбора легких заряженных частиц и приемник 10 для сбора тяжелых заряженных частиц, изготовленные в виде карманов, находятся в одном конце устройства для разделения частиц по массам и электрически отделены от вакуумной камеры 1 изоляторами 5.

Производительность устройства для разделения заряженных частиц по массам определяется током извлекаемых из источников ионов, растет при увеличении напряженности вытягивающего поля, ширины и длины отверстия 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 нерассеянных узких пучков заряженных частиц, происходящее при аксиальном размещении раструбов в порядке уменьшения поперечных сечений раструбов в направлении от области их совмещения; позволяет сократить потери разделяемого вещества, т.к. разделяются узкие пучки заряженных частиц; снизить энергопотребление во время разделения заряженных 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 предлагаемого изобретения уменьшаются материальные и финансовые затраты на изготовление и эксплуатацию устройства для разделения частиц по массам, т.к. заявляемое устройство для разделения заряженных частиц по массам имеет малые размеры и не требует применения дорогих, громоздких и энергоемких электромагнитов.

Предлагаемое устройство для разделения заряженных частиц по массам испытано на двух электрофизических моделях. На первой электрофизической модели устройства для разделения заряженных частиц разделяемые пучки заряженных частиц моделированы 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. На второй модели устройства для разделения заряженных частиц по массам пучки разделяемых по массам заряженных частиц моделированы пучками разделяемых по энергиям электронов. Пучок легких заряженных частиц моделирован пучком низкоэнергетических электронов, а пучок тяжелых заряженных частиц моделирован пучком высокоэнергетических электронов.

Изобретение относится к ядерной технике, а более конкретно касается разделения заряженных частиц и выделения изотопов из их естественной смеси. В вакуумной камере размещены источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц, приспособление для сбора заряженных частиц и подводящие электрический ток электроды. Сепаратор заряженных частиц выполнен в виде аксиальных сужающихся по дугам орбит заряженных частиц раструбов. Раструбы установлены один в другом с общим совмещением в широкой части каждого раструба при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения раструбов к противоположному концу каждого раструба. Раструбы снабжены продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль образующих боковых поверхностей раструбов, и выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов. Разделение заряженных частиц осуществляется на расходящихся магнитных барьерах магнитного поля сепаратора заряженных частиц. Достигаемый технический результат заключается в повышении селективности при разделении заряженных частиц по массам, сокращении потерь разделяемого вещества, снижении энергопотребления и уменьшении габаритов устройства для разделения заряженных частиц по массам. 3 ил.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены соосные источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц и приспособление для сбора заряженных частиц, отличающееся тем, что сепаратор заряженных частиц выполнен в виде аксиальных сужающихся по дугам орбит заряженных частиц раструбов, установленных один в другом с общим совмещением в широкой части каждого раструба при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения раструбов к противоположному концу каждого раструба и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль образующих боковых поверхностей раструбов, при этом раструбы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, а кольцевой источник заряженных частиц размещен вокруг широкой части сепаратора заряженных частиц вдоль щелевых прорезей.