СПОСОБ НАГРЕВА ИОНОВ ЦЕЛЕВОГО ИЗОТОПА В ПЛАЗМЕННОМ ИЦР-МЕТОДЕ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H05B6/10 H05B6/64 B01D59/48 

Изобретение относится к электрофизике, в частности к системам, служащим для высокочастотного (ВЧ) нагрева ионов плазмы в установках для разделения изотопов методом ионно-циклотронного резонанса (ИЦР-метод).

Известен плазменный метод разделения изотопов с использованием ионно-циклотронного резонанса (ИЦР-метод) для нагрева целевого изотопа [1]. Способ селективного ионно-циклотронного нагрева ионов целевого изотопа реализуется за счет того, что ионы этого изотопа находятся в однородном магнитном поле (как и вся плазма) и греются высокочастотным электрическим полем с частотой, равной частоте вращения этих ионов в магнитном поле (циклотронная частота). Далее в процессе разделения изотопов используется различие в поперечной энергии нагретых ионов целевого изотопа и остальных, более холодных ионов, которые практически не подвергались нагреву в высокочастотном поле из-за отличия их циклотронной частоты от частоты внешнего высокочастотного поля [1].

Известны антенны для индукционного нагрева ионов в плазме высокочастотным электрическим полем с частотой, равной частоте вращения этих ионов в магнитном поле (циклотронная частота) [2], состоящие из многозаходных винтовых обмоток, имеющих сложную структуру по z-координате.

К недостаткам использования таких антенн относится то, что такие антенны создают электрическое поле, амплитуда и фаза которого зависит от продольной координаты [3].

Прототипом предлагаемого способа нагрева ионов целевого изотопа в плазменном ИЦР-методе разделения изотопов является способ, применяемый в установке для разделения изотопов путем нагрева высокочастотным электрическим полем с частотой, равной частоте вращения этих ионов в магнитном поле (циклотронная частота) [1].

К причинам, препятствующим получению описанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится ограничение производительности, связанное с ограничением плотности плазмы в этом способе. Производительность такого способа определяется полным потоком (током) плазмы, который равен произведению плотности плазмы на площадь сечения потока плазмы. Увеличение производительности за счет увеличения площади сечения потока плазмы требует существенного увеличения стоимости установки. Повышение производительности за счет увеличения плотности плазмы при плотностях порядка 10¹² см^-3 ограничено за счет экранировки (скинирования) внешнего электрического поля во внешних слоях плазмы.

Прототипом устройства для создания внешнего электрического поля (антенны) является устройство того же назначения, применяемое в установке для разделения изотопов [2].

Основной задачей, на решение которой направлены заявляемые способ и устройство, его реализующее, является увеличение производительности ИЦР-метода разделения изотопов.

Указанный технический результат достигается за счет использования для нагрева целевого изотопа второй гармоники (удвоенной частоты) циклотронной частоты целевого изотопа.

При этом для осуществления нагрева необходимо, чтобы высокочастотное поле имело пространственный градиент электрического поля в направлении перпендикулярном направлению магнитного поля.

Нагрев ионов на второй гармонике в градиентных полях идет в (a/R) раз медленнее, чем на первой гармонике, при той же амплитуде ВЧ потенциала, здесь R - ларморовский радиус иона, a - характерный радиальный размер области нагрева. Однако за счет этого эффекта одновременно возрастает в (a/R) раз плотность плазмы, при которой отсутствует ослабление (скинирование) внешнего ВЧ электрического поля в объеме плазмы. Для типичных параметров такого устройства значение фактора a/R порядка десяти (или нескольких десятков), поэтому по порядку величины во столько же раз возрастает плотность плазмы и соответственно производительность метода при использовании нагрева на второй гармонике.

Все вышеизложенное обуславливает причинно-следственную связь между приведенными признаками способа и техническим результатом и существенность признаков формулы изобретения.

Указанный технический результат достигается тем, что для формирования градиентного ВЧ электрического поля используется соленоидальная антенна совместно с экраном-формирователем, расположенным внутри антенны на всю ее длину. Экран-формирователь выполнен в виде односвязного объекта, состоящего из однооборотного металлического витка и двух металлических пластин, расположенных на краях витка. Между пластинами находится нагреваемый поток плазмы, и за счет изменения расстояния между пластинами в радиальном направлении можно формировать необходимый градиент электрического ВЧ поля по сечению потока плазмы.

Экран-формирователь служит также в качестве теплового экрана между антенной и плазмой, а также в качестве экранирующего элемента для снятия продольной компоненты вихревого электрического поля, создаваемого антенной.

Аналогичный по назначению экран-формирователь может быть использован и при нагреве плазмы на первой гармонике при использовании соленоидальной антенны, в этом случае в зазоре витка должно формироваться однородное электрическое поле.

Аналогичные устройства для формирования градиентного электрического поля, использующие однооборотный вторичный виток высокочастотного трансформатора, применяются в устройствах для сварки металлических изделий [4].

Изложенная выше совокупность признаков обеспечивает достижение указанного технического результата, то есть позволяет улучшить эффективность нагрева резонансных ионов и увеличить производительность плазменного метода разделения изотопов.

Все вышеизложенное обуславливает причинно-следственную связь между признаками устройства и техническим результатом и существенность признаков формулы изобретения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружены аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, идентичными всем существенным признакам заявленных способа нагрева ионов целевого изотопа в плазменном ИЦР-методе разделения изотопов и устройства, его реализующего.

Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленных изобретений, показывает, что заявленные изобретения не следуют для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками каждого заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На чертеже схематически представлена схема заявленного устройства экрана-формирователя для создания градиентного ВЧ электрического поля, где изображено: 1 - антенна соленоидального типа, 2 - металлический однооборотный виток, 3 - плазменный поток, 4 - пластины, расположенные на краях витка. Экран-формирователь выполнен в виде односвязного металлического объекта, состоящего из однооборотного витка 2, расположенного внутри антенны, и двух металлических пластин 4, расположенных на краях витка 2 и охватывающих нагреваемый поток плазмы.

Наличие однооборотного витка 2, находящегося внутри соленоидальной антенны 1, не изменяет основных интегральных характеристик антенны (индуктивность, резонансная частота и т.д.). Однако наличие витка 2 перераспределяет электрические поля внутри антенны и позволяет сформировать необходимые поля для селективного нагрева ионов в плазменном потоке. Экран-формирователь выполнен из металлического листа, толщина которого больше, чем скин-слой на частоте ВЧ нагрева. Расстояние между пластинами 4 выбирается таким, чтобы получить необходимое значение градиента электрического поля. Экран-формирователь также существенно снижает продольную компоненту вихревого электрического поля, создаваемого антенной. Помимо этого экран выполняет роль теплового экрана между антенной и плазмой.

Для заявленных изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность их осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов. Средства, воплощающие заявленные изобретения при их осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленные изобретения соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Литература.

1. Муромкин Ю.А. // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы, т. 12, М. , ВИНИТИ, 1991, с. 99-101.

2. Муромкин Ю.А. // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы, т. 12, М. , ВИНИТИ, 1991, с. 101.

3. Панов Д.А., Тимофеев А.В. //Физика плазмы, 1995, т. 21, N 11, с. 1-7.

4. Пейсахович В.А. // Оборудование для высокочастотной сварки металлов. -Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с. 149-151.

Изобретение относится к электрофизике, в частности к системам, служащим для высокочастотного (ВЧ) нагрева ионов плазмы в установках для разделения изотопов методом ионно-циклотронного резонанса (ИЦР-метод). Изобретение касается использования соленоидальной антенны совместно с вложенным внутрь антенны экраном-формирователем, состоящим из однооборотного металлического витка и двух металлических пластин, расположенных на краях витка, создающих градиентное высокочастотное электрическое поле в плазменном потоке в качестве антенны для нагрева ионов целевого изотопа в плазменном ИЦР-методе разделения изотопов на второй гармонике циклотронной частоты. Технический результат - увеличение производительности ИЦР-метода разделения изотопов в установках для разделения изотопов. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ нагрева ионов целевого изотопа в плазменном ИЦР-методе разделения изотопов путем нагрева высокочастотным электрическим полем ионов плазмы, находящейся в однородном магнитном поле, отличающийся тем, что нагрев целевого изотопа осуществляется на второй гармонике циклотронной частоты, при этом высокочастотное поле должно иметь пространственный градиент электрического поля в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля. 2. Соленоидальная антенна для нагрева ионов целевого изотопа в плазменном ИЦР-методе разделения изотопов на второй гармонике циклотронной частоты, отличающаяся тем, что внутрь антенны вложен экран-формирователь, состоящий из однооборотного металлического витка и двух металлических пластин, расположенных на краях витка, создающих градиентное высокочастотное электрическое поле в плазменном потоке.