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

Настоящее 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 и для изотопного анализа смеси.

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, МПК⁵ В 01 D 59/48, H 05 H 5/00). Устройство включает вакуумную камеру, в которой размещены кольцевой источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц и аксиальный с кольцевым источником заряженных частиц и сепаратором заряженных частиц кольцевой приемник заряженных частиц, а также электроды, формирующие электростатическое поле с продольной и радиальной составляющими вектора напряженности, и источник магнитного поля, выполненный в виде катушки, создающей 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. 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. Кольцевой источник заряженных частиц и кольцевой приемник заряженных частиц установлены в противоположных концах устройства для разделения заряженных частиц.

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 и затем опускать пучок тяжелых изотопных ионов с круговой орбиты на первоначально направленную прямолинейную траекторию, закручивать пучки легких и тяжелых изотопных ионов по единой круговой орбите и затем опускать с круговой орбиты тяжелые заряженные частицы в любой точке круговой орбиты на последующую прямолинейную траекторию и далее по лету заряженных частиц опускать с круговой орбиты легкие заряженные частицы; 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 устройство для разделения заряженных частиц по массам содержит вакуумную камеру, в которой размещены кольцевой источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц и аксиальный с кольцевым источником заряженных частиц и сепаратором заряженных частиц кольцевой приемник заряженных частиц, при этом кольцевой источник заряженных частиц установлен вблизи узкой части сепаратора заряженных частиц, выполненного в виде раструба с продольными щелевыми прорезями, изогнутого по дугам круговых орбит заряженных частиц, вдоль щелевых прорезей этого сепаратора, а кольцевой приемник заряженных частиц выполнен из элементов, один из которых расположен вдоль щелевых прорезей вокруг широкой части сепаратора заряженных частиц, а другой - вблизи широкой части сепаратора заряженных частиц напротив источника заряженных частиц.

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, т.е. предлагаемое устройство позволяет закручивать по круговой орбите только пучок легких изотопных ионов, практически не изменяя прямолинейную траекторию тяжелых заряженных частиц; закручивать пучки легких и тяжелых изотопных ионов по единой круговой орбите и затем опускать пучок тяжелых заряженных частиц с круговой орбиты на прямолинейную траекторию по направлению первоначального движения заряженных частиц в ускоряющем поле, оставляя пучок легких изотопных ионов на прежней орбите; закручивать пучки легких и тяжелых изотопных ионов по единой круговой орбите и затем опускать с круговой орбиты тяжелые заряженные частицы в любой точке круговой орбиты на последующую прямолинейную траекторию и далее по лету заряженных частиц опускать с круговой орбиты легкие заряженные частицы. Повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам обеспечивается выполнением сепаратора в виде раструба, форма которого приводит к постепенному уменьшению высоты магнитного барьера вдоль пути разделяемых заряженных частиц и вдоль щелевых прорезей сепаратора.

Сокращение потерь разделяемого вещества достигается путем разделения не рассеянных узких пучков изотопных ионов. Разделение не рассеянных узких пучков изотопных ионов обеспечивается выполнением сепаратора в виде раструба, форма которого определяет орбиту изотопных ионов вдоль щелевых прорезей сепаратора.

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

Уменьшение габаритов устройства достигается вследствие выполнения сепаратора в виде проводящего электрический ток раструба, являющегося 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 изображен сепаратор заряженных частиц в продольном сечении, на фиг. 3 изображен вид А фиг. 2.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам содержит вакуумную камеру 1 с размещенными в ней кольцевым источником 2 заряженных частиц, сепаратором 3 заряженных частиц, кольцевым приемником, состоящим из кольцевых элементов 4, 5, и изоляторами 6. Кольцевой источник 2 заряженных частиц состоит из ионизационной камеры 7 и электродов 8, предназначенных для формирования вытягивающего электрического поля.

Сепаратор 3 заряженных частиц выполнен в виде раструба, изогнутого по дугам круговых орбит заряженных частиц, с продольными щелевыми прорезями 9, причем продольная образующая раструба направлена также по дугам круговых орбит заряженных частиц. Кольцевые элементы 4, 5 кольцевого приемника заряженных частиц отделены от вакуумной камеры 1 изоляторами 6. Сепаратор 3 заряженных частиц, изготовленный в виде раструба, вдоль которого протекает постоянный по направлению электрический ток, формирующий статическое магнитное поле с магнитным барьером для разделения частиц, одновременно является источником магнитного поля. Магнитным барьером является повышенное значение магнитной индукции вокруг сепаратора 3 заряженных частиц. Сепаратор 3 заряженных частиц изготовлен из проводящего или сверхпроводящего электрический ток материала. Сепаратор 3 заряженных частиц имеет переменный по длине диаметр, изменяющийся в соответствии с орбитой легких заряженных частиц. В сепараторе 3 заряженных частиц для использования магнитного поля прорезаны продольные щелевые прорези 9. Сепаратор 3 заряженных частиц и продольные щелевые прорези 9 в нем обеспечивают разделение пучков заряженных частиц в зависимости от массы частиц. Кольцевой источник 2 заряженных частиц установлен вблизи узкой части сепаратора 3 заряженных частиц вдоль щелевых прорезей 9. Кольцевой элемент 4 кольцевого приемника заряженных частиц установлен осесимметрично вблизи широкой части сепаратора 3 заряженных частиц напротив кольцевого источника 2 заряженных частиц. Кольцевой элемент 5 кольцевого приемника заряженных частиц размещен вокруг широкой части сепаратора 3 заряженных частиц. Кольцевые элементы 4, 5 кольцевого приемника заряженных частиц снабжены карманами для сбора заряженных частиц.

Для формирования магнитного поля с магнитным барьером необходимо подать электрический ток вдоль сепаратора 3 заряженных частиц. Положительный электрический потенциал при этом подается на широкий конец сепаратора 3 заряженных частиц, из которого выводятся разделенные легкие и тяжелые положительно заряженные частицы. Отрицательный потенциал подается на узкий конец сепаратора 3 заряженных частиц, где в единой смеси вводятся предназначенные для разделения легкие и тяжелые положительно заряженные частицы. Распределение индукции по радиусу сепаратора 3 заряженных частиц в зоне разделения заряженных частиц таково, что получается поле с барьером магнитной индукции.

Принцип работы предлагаемого устройства для разделения заряженных частиц по массам заключается в том, что разделение заряженных частиц происходит на магнитном барьере магнитного поля сепаратора заряженных частиц.

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

В ионизационной камере 7 источника 2 заряженных частиц происходит ионизация молекул разделяемых заряженных частиц, после чего ионы вытягиваются электрическим полем между электродами 8 кольцевого источника 2 заряженных частиц и затем поступают в сепаратор 3 заряженных частиц.

В сепараторе 3 заряженных частиц каждый пучок моноэнергетических изотопных ионов разделяется магнитным барьером, расположенным в провалах магнитного поля вдоль щелевых прорезей 9, на два изотопных пучка. Тяжелые моноэнергетические изотопные ионы обладают меньшей скоростью движения, поэтому слабо подвержены воздействию силы Лоренца и проходят через магнитный барьер. Тяжелые моноэнергетические изотопные ионы поступают в кольцевой элемент 4 кольцевого приемника заряженных частиц. Легкие моноэнергетические изотопные ноны не пропускаются магнитным барьером и отклоняются магнитным полем на круговую траекторию движения вдоль магнитного барьера. По мере движения легкие заряженные частицы попадают в область магнитного поля с меньшими значениями магнитной индукции и все слабее удерживаются магнитным барьером. Указанная особенность магнитного поля позволяет сепаратор 3 заряженных частиц использовать для изотопного анализа смесей. Магнитный барьер магнитного поля, расположенный вдоль сепаратора 3 заряженных частиц, держит легкие заряженные частицы в полете на круговой орбите только до тех пор, пока сила Лоренца превышает центробежную силу. Когда сила Лоренца становится меньше центробежной силы, то легкие моноэнергетические изотопные ионы уходят с круговой орбиты, расположенной вдоль щелевой прорези 9, по прямолинейной траектории в кольцевой элемент 5 кольцевого приемника заряженных частиц. Плавное уменьшение магнитного барьера магнитного поля вдоль расширяющегося сепаратора 3 заряженных частиц является принципиально важным и исключительно удобным свойством сепаратора, позволяющим использовать его для разделения большого числа изотопов. Плавное уменьшение магнитного барьера магнитного поля вдоль расширяющегося сепаратора позволяет использовать его также для разделения заряженных частиц, например электронов, по энергиям.

Важнейшей особенностью сепаратора 6 заряженных частиц является возможность закрутить по круговой орбите только легкие заряженные частицы, практически не изменяя прямолинейную траекторию тяжелых заряженных частиц. Это стало возможно потому, что выполнение сепаратора 6 заряженных частиц в виде раструба, изогнутого по дугам круговых орбит заряженных частиц, позволило сформировать магнитный барьер магнитного поля. Расщепление пучков изотопных ионов в этом случае максимально, а протяженность зоны разделения заряженных частиц по массам в этом случае становится минимальной. Такой сепаратор заряженных частиц, а следовательно и устройство для разделения заряженных частиц по массам, имеет небольшие размеры. Второй важной особенностью сепаратора 6 заряженных частиц является возможность закручивать пучки легких и тяжелых изотопных ионов по единой круговой орбите и затем опускать с круговой орбиты тяжелые заряженные частицы в любой точке круговой орбиты на последующую прямолинейную траекторию и далее по лету заряженных частиц опускать с круговой орбиты легкие заряженные частицы. Вторая особенность сепаратора заряженных частиц позволяет использовать его для разделения большого числа изотопов.

После сепаратора 3 заряженных частиц разделенные заряженные частицы попадают в кольцевые элементы 4, 5 кольцевого приемника заряженных частиц и накапливаются в них. Кольцевой элемент 4 кольцевого приемника заряженных частиц, изготовленный с карманами, предназначен для сбора тяжелых заряженных частиц. Кольцевой элемент 5 кольцевого приемника заряженных частиц, изготовленный с карманами, предназначен для сбора легких заряженных частиц.

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

Предлагаемое изобретение, по сравнению с известными техническими решениями в этой области, повышает селективность при разделении заряженных частиц по массам, т.к. максимально расщепление не рассеянных узких пучков изотопных ионов, происходящее при размещении кольцевого источника заряженных частиц вблизи узкой части раструба; 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. 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, не требует применения дорогих, громоздких и энергоемких электромагнитов.

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

Устройство используется в ядерной технике. В вакуумной камере размещены кольцевой источник заряженных частиц, изоляторы, сепаратор заряженных частиц и кольцевой приемник заряженных частиц. Кольцевой источник заряженных частиц содержит нонизационную камеру и электроды, формирующие вытягивающее электрическое поле. Сепаратор заряженных частиц выполнен в виде изогнутого по дугам круговых орбит заряженных частиц раструба и снабжен продольными щелевыми прорезями, при этом кольцевой источник заряженных частиц установлен вблизи узкой части сепаратора вдоль щелевых прорезей, а кольцевой приемник заряженных частиц выполнен из элементов, один из которых размещен вокруг широкой части сепаратора заряженных частиц вдоль щелевых прорезей, а другой размещен вблизи широкой части этого сепаратора напротив источника заряженных частиц. Разделение заряженных частиц по массам происходит на магнитном барьере магнитного поля, сформированного увеличивающимся по диаметру сепаратором, вдоль которого протекает постоянный по направлению электрический ток. Технический результат: повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам, сокращение потерь разделяемого вещества, снижение энергопотребления и уменьшение габаритов устройства. 3 ил.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены кольцевой источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц и аксиальный с кольцевым источником заряженных частиц и сепаратором заряженных частиц кольцевой приемник заряженных частиц, отличающийся тем, что кольцевой источник заряженных частиц установлен вблизи узкой части сепаратора заряженных частиц, выполненного в виде раструба с продольными щелевыми прорезями, изогнутого по дугам круговых орбит заряженных частиц, вдоль щелевых прорезей этого сепаратора, кольцевой приемник заряженных частиц выполнен из элементов, один из которых расположен вдоль щелевых прорезей вокруг широкой части сепаратора заряженных частиц, а другой - вблизи широкой части сепаратора заряженных частиц напротив источника заряженных частиц.