СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО МАССАМ Российский патент 2000 года по МПК B01D59/48 

Настоящее изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования при разделении заряженных частиц по массам, а также может быть использовано для разделения заряженных частиц по скоростям, импульсам, зарядам, энергиям, для выделения изотопов из их естественной смеси и для изотопного анализа смеси.

Известен электромагнитный способ разделения заряженных частиц по массам, в котором одновременно с ускорением ионов различного типа осуществляют их селекцию /И.А. Кащеев, В.А. Дергачев. Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ. - М.: Энергоатомиздат. 1989/. Способ включает формирование смеси ионов, вытягивание смеси ионов, последующее разделение ионов в сформированном электростатическом поле с продольной и радиальной составляющими вектора напряженности и в статическом магнитном поле, пространственно совмещенном с электрическим, а также прием заряженных частиц.

Недостатками электромагнитного способа разделения заряженных частиц по массам являются 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 способ разделения заряженных частиц по массам, по которому разделение заряженных частиц производят путем воздействия магнитных барьеров статического магнитного поля (см. патент РФ на изобретение N 2098170 C1, 10.12.97, B 01 D 59/48, 6 стр., по заявке N 96112703/25 (018973) с приоритетом от 25.06.96 г., МПК⁶ B 01 D 59/48). Способ разделения заряженных частиц по массам включает формирование смеси заряженных частиц путем ионизации в ионизационной камере, вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц из ионизационной камеры, разделение заряженных частиц путем воздействия магнитных барьеров статического магнитного поля и прием разделенных заряженных частиц в приемник заряженных частиц.

Основным недостатком описанного способа разделения заряженных частиц по массам является невысокая селективность при разделении заряженных частиц по массам вследствие ограниченных возможностей расщепления пучков изотопных ионов, т. е. использование этого способа не позволяет выполнять следующие операции по управлению траекториями заряженных частиц.

1. Отпускать оба пучка заряженных частиц в любой точке орбиты с единой круговой орбиты на единую прямолинейную траекторию;
2. Отпускать оба пучка заряженных частиц одновременно с единой круговой орбиты на различные прямолинейные траектории или сначала отпускать тяжелые заряженные частицы, а затем отпускать легкие заряженные частицы;
3. Отпускать пучок тяжелых заряженных частиц в любой точке с круговой орбиты, отдельной от орбиты легких заряженных частиц, на прямолинейную траекторию, оставляя пучок легких заряженных частиц на круговой орбите;
4. Отпускать оба пучка заряженных частиц с различных круговых орбит на различные прямолинейные траектории в любой точке соответствующей круговой орбиты;
5. Отпускать оба пучка заряженных частиц с различных круговых орбит на единую прямолинейную траекторию в любой точке круговой орбиты для тяжелых заряженных частиц;
6. Направлять любой пучок заряженных частиц по любой заранее заданной траектории.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе разделения заряженных частиц по массам, включающем формирование смеси заряженных частиц путем ионизации в ионизационной камере, вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц из ионизационной камеры, разделение заряженных частиц путем воздействия магнитных барьеров статического магнитного поля и прием разделенных заряженных частиц, разделение заряженных частиц производят путем воздействия магнитных барьеров статического или регулируемого магнитного поля при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения магнитных барьеров в зависимости от массы разделяемых заряженных частиц.

Техническим результатом является повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам.

Повышение селективности при разделении заряженных частиц обеспечивается вследствие увеличения возможностей расщепления пучков заряженных частиц, так как разделение заряженных частиц производят путем воздействия магнитных барьеров статического или регулируемого магнитного поля при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения магнитных барьеров в зависимости от массы разделяемых заряженных частиц. Воздействие магнитных барьеров статического или регулируемого магнитного поля при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения магнитных барьеров позволяет осуществлять следующие, не известные ранее из уровня техники, операции по управлению траекториями заряженных частиц.

1. Отпускать оба пучка заряженных частиц в любой точке орбиты с единой круговой орбиты на единую прямолинейную траекторию.

2. Отпускать оба пучка заряженных частиц одновременно с единой круговой орбиты на различные прямолинейные траектории или сначала отпускать тяжелые заряженные частицы, а затем отпускать легкие заряженные частицы.

3. Отпускать пучок тяжелых заряженных частиц в любой точке с круговой орбиты, отдельной от орбиты легких заряженных частиц, на прямолинейную траекторию, оставляя пучок легких заряженных частиц на круговой орбите.

4. Отпускать оба пучка заряженных частиц с различных круговых орбит на различные прямолинейные траектории в любой точке соответствующей круговой орбиты.

5. Отпускать оба пучка заряженных частиц с различных круговых орбит на единую прямолинейную траекторию в любой точке круговой орбиты для тяжелых заряженных частиц.

6. Направлять любой пучок заряженных частиц по любой заранее заданной траектории.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен график зависимости 1 центробежной силы от радиуса круговой орбиты моноэнергетических заряженных частиц и изображены графики зависимостей 2 и 3 сил Лоренца, действующих на моноэнергетические заряженные частицы в магнитном поле, от радиуса круговой орбиты заряженных частиц. На фиг. 2 изображены кривая линия 4, показывающая зависимость центробежной силы от радиуса орбиты и последовательно пересекающая зависимость силы Лоренца для легкой заряженной частицы, т.е. кривую линию 5, кривую линию 6 для средней по массе заряженной частицы и кривую линию 7 для тяжелой заряженной частицы. На фиг. 2 показано распределение трех пучков заряженных частиц по трем ступенчатым магнитным барьерам. На фиг. 3 изображены графики зависимостей 8 и 9 сил Лоренца, действующих на односкоростные заряженные частицы в магнитном поле, от радиуса круговой орбиты заряженных частиц, и изображена зависимость 10 центробежной силы от радиуса круговой орбиты односкоростных заряженных частиц. На фиг. 4 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц, на фиг. 5 - вид снизу сепаратора заряженных частиц, на фиг. 6 - вертикальный разрез сепаратора заряженных частиц.

Способ разделения заряженных частиц по массам осуществляют следующим образом. Предварительно осуществляют формирование смеси заряженных частиц путем ионизации в ионизационной камере и вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц из ионизационной камеры. Последующее разделение заряженных частиц производят путем воздействия магнитных барьеров магнитного поля, изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц. Для разделения заряженных частиц используют статическое или регулируемое магнитное поле, имеющее особую топографию. Особенностью топографии магнитного поля для разделения заряженных частиц является наличие магнитных барьеров. Магнитные барьерами являются повышенные значения магнитной индукции в протяженных областях пространства. Магнитные барьеры получают с помощью электрических токов, протекающих по полым проводникам или по полым сверхпроводникам. Магнитные барьеры можно получить также путем использования катушек с протяженными в пространстве сердечниками магнитных катушек. Разделение заряженных частиц осуществляют во время их полета в магнитном поле. Заряженные частицы направляют к магнитному барьеру под минимальным углом. Разделение заряженных частиц производят путем воздействия магнитных барьеров статического или регулируемого магнитного поля при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения магнитных барьеров в зависимости от массы разделяемых заряженных частиц. Магнитные барьеры магнитного поля получают протяженными вдоль траекторий заряженных частиц. Высоту, ширину и длину магнитного барьера выбирают достаточными для удержания заряженных частиц на круговой орбите. Заряженные частицы вынуждены перемещаться вдоль тех магнитных барьеров, которые оказываются на их пути. Необходимое расщепление одного пучка заряженных частиц на два пучка определяется не только величиной магнитной индукции вдоль пути заряженных частиц, но и положением расщепленных магнитных барьеров в пространстве, при достаточной величине магнитной индукции барьеров и при соответствующих формах магнитных барьеров. Единая орбита смеси заряженных частиц и радиус орбиты определяется не величиной магнитной индукции вдоль пути заряженных частиц, а положением магнитного барьера в пространстве, при достаточной величине магнитной индукции барьера. Для полной реализации возможностей магнитных барьеров при корректировке движения частиц по траектории и при разделении N числа моноэнергетических или N числа односкоростных заряженных частиц требуется N магнитных барьеров магнитного поля. Для разделения N числа моноэнергетических или N числа односкоростных заряженных частиц можно использовать (N-1) барьеров магнитной индукции, но в этом случае пучок наиболее тяжелых заряженных частиц удобнее не удерживать магнитным барьером, удобнее отпустить пучок на прямолинейную траекторию. При этом теряется возможность управления положением спрямленного пучка наиболее тяжелых заряженных частиц. Возможность управления другими пучками, максимальное число которых может достигать числа (N-1), заряженных частиц сохраняется. Для разделения заряженных частиц по массам необходимо воздействие магнитным барьером, высота которого уменьшается по мере удаления от центра круговой орбиты частицы. Крутизна уменьшения высоты магнитного барьера в его поперечном сечении зависит от крутизны уменьшения центробежной силы, действующей на частицу большей массы в момент перехода частицы на большую орбиту. Каждый из расщепленных магнитных барьеров имеет по всей длине постоянную высоту при постоянном радиусе изгиба магнитного барьера. Для разделения заряженных частиц по массам используют также магнитный барьер, имеющий по ходу частиц уменьшающуюся высоту при постоянном радиусе изгиба магнитного барьера, или применяют магнитный барьер, имеющий постоянную высоту по всей длине барьера при уменьшающемся радиусе изгиба магнитного барьера Разделение бинарной смеси заряженных частиц осуществляют в магнитном поле, имеющем один или несколько протяженных в пространстве магнитных барьеров. После разделения заряженных частиц по массам осуществляют прием заряженных частиц в приемники заряженных частиц. Поперечное сечение одного магнитного барьера на фиг. 1 изображается в виде пика зависимости магнитной индукции от радиуса орбиты заряженных частиц или в виде пиков зависимостей сил Лоренца от радиуса орбиты заряженных частиц. Поперечное сечение нескольких магнитных барьеров магнитного поля изображается в виде чередующихся пиков и провалов на зависимости магнитной индукции от радиуса орбиты заряженных частиц или в виде чередующихся пиков и провалов на зависимостях сил Лоренца от радиуса орбиты заряженных частиц. Чередующиеся пики и провалы на зависимости магнитной индукции от радиуса орбиты изотопных ионов соответствуют чередующимся максимумам и минимумам магнитной индукции. Чередующиеся пики и провалы на зависимостях сил Лоренца от радиуса орбиты заряженных частиц соответствуют чередующимся максимумам и минимумам сил Лоренца. Каждый максимум индукции дает столько максимумов сил Лоренца, сколько имеется сортов разделяемых заряженных частиц. На фиг. 1 кривая линия 1 относится к центробежной силе, кривая линия 2 отражает уровень силы Лоренца для легкой, быстрой заряженной частицы, а кривая линия 3 характеризует уровень силы Лоренца для тяжелой, медленной заряженной частицы. При достаточно высоких пиках сил Лоренца, т.е. при пиках выше кривой линии 1, обе заряженные частицы могут пролетать по орбитам, имеющим малые радиусы. При снижении высоты пиков сил Лоренца тяжелая заряженная частица уходит с малой мгновенной орбиты на большую, а легкая заряженная частица остается на прежней, малой орбите. При дальнейшем уменьшении значения магнитной индукции линия силы Лоренца для легкой заряженной частицы (фиг. 1) не пересекает линию центробежной силы, и легкая заряженная частица тоже сходит с малой орбиты на большую. Регулируемое магнитное поле позволяет разводить магнитные барьеры или сводить их, позволяет расщеплять пучки заряженных частиц или сводить их вместе, позволяет уводить пики сил Лоренца в одну или другую сторону, уводить этим в одну или другую сторону пучки разделяемых заряженных частиц. Для разделения N числа заряженных частиц требуется N магнитных барьеров магнитного поля, требуется N пиков магнитной индукции. При этом получается N пиков сил Лоренца. Для разделения N числа заряженных частиц можно использовать (N-1) магнитных барьеров магнитного поля, использовать (N-1) пиков магнитной индукции, тогда поучается N(N-1) пиков сил Лоренца. В этом случае пучок наиболее тяжелых заряженных частиц удобнее не удерживать магнитным барьером магнитного поля, т.е. пучком самых тяжелых заряженных частиц удобнее не управлять, а управлять другими пучками.

На фиг. 2 показано распределение трех пучков заряженных частиц по трем ступеням магнитной индукции. Кривая линия 4, показывающая график зависимости центробежной силы от радиуса орбиты, последовательно пересекает ломаную линию 5 - график зависимости силы Лоренца от радиуса орбиты для легкой заряженной частицы, ломаную линию 6 - график зависимости силы Лоренца для средней по массе заряженной частицы и ломаную линию 7 - график зависимости силы Лоренца от радиуса орбиты для тяжелой заряженной частицы. Смещением ступеней магнитной индукции и изменением их уровней можно собрать все пучки вместе или удалить пучки друг от друга на большие расстояния.

На фиг. 3 показано распределение односкоростных заряженных частиц по магнитным барьерам. При разделении односкоростных заряженных частиц магнитными барьерами для каждого вида заряженных частиц, для каждого пучка заряженных частиц, имеются свои графики зависимостей 8 и 9 центробежной силы от радиуса мгновенной орбиты. Сила Лоренца, действующая на односкоростные разделяемые заряженные частицы, описывается одной, общей для всех заряженных частиц, зависимостью 10. В магнитном поле заряженные частицы разных видов идут по траекториям, имеющим разные мгновенные радиусы. Радиусы траекторий определяются на фиг. 3 точками пересечения графиков 8 и 9 центробежной силы с графиком 10 силы Лоренца. На фиг. 3 дан график распределения 10 индукции магнитного поля (силы Лоренца, пропорциональной индукции), при котором на малых орбитах можно оставить или односкоростные заряженные частицы двух сортов, или оставить только легкие заряженные частицы, или не оставить никаких заряженных частиц. На больших орбитах можно оставить заряженные частицы любого из двух сортов, или заряженные частицы двух сортов, или не оставить никаких заряженных частиц.

Способ разделения заряженных частиц по массам реализуется в устройстве для разделения заряженных частиц, изображенном на фиг. 4-6. Разделение заряженных частиц осуществляется в вакуумной камере 11, в которой размещены источник 12 заряженных частиц, содержащий ионизационную камеру 13 и формирующие вытягивающее электрическое поле электроды 14, изоляторы 15, сепаратор 16 заряженных частиц, имеющий трубы 17, 18, 19, и приемники 20, 21, 22, 23 заряженных частиц. Электрический ток, протекающий по сепаратору 16, обеспечивает формирование магнитного поля с расходящимися магнитными барьерами для разделения заряженных частиц. Для доступа к магнитным барьерам в трубах 17, 18, 19 выполнены продольные щелевые прорези 24. Магнитными барьерами являются повышенные значения магнитной индукции в протяженных областях пространства вдоль щелевых прорезей 24. Последовательное расположение изогнутых магнитных барьеров, расположенных вдоль труб 17. 18, 19 обеспечивает разделение пучков заряженных частиц.

Разделение заряженных частиц в описанном устройстве осуществляют следующим образом. В ионизационной камере 13 источника 12 заряженных частиц производят ионизацию молекул разделяемых частиц, после чего заряженные частицы вытягивают электрическим полем между электродами 14 и затем направляют в сепаратор 16 заряженных частиц. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка труб 17, 18, 19 создают всеми электрическими токами, и поэтому магнитный барьер легко держит разделяемые заряженные частицы на единой мгновенной круговой орбите. По мере движения заряженные частицы попадают в область магнитного поля с расходящимися магнитными барьерами и меньшими значениями магнитной индукции. Здесь посредством электрического тока формируют первый магнитный барьер такой высоты, и магнитную индукцию поддерживают 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 средний радиус, или идет по орбите, имеющей большой радиус, или идет по прямолинейной траектории. Удержание пучка тяжелых заряженных частиц на орбите, имеющей средний радиус, производится другим, вторым магнитным барьером, т.е. достаточным значением магнитной индукции. Понижение высоты второго магнитного барьера приводит к переходу пучка заряженных частиц со средней орбиты на орбиту большего радиуса, орбиту вдоль следующего, третьего магнитного барьера. Понижение высоты третьего магнитного барьера приводит к переходу пучка заряженных частиц с орбиты, имеющей большой радиус, на прямолинейную траекторию. Если требуется заряженные частицы перевести с орбиты, имеющей больший радиус, на орбиту, имеющую меньший радиус, то для этого увеличивают магнитную индукцию поля. Увеличение магнитной индукции выводит заряженные частицы с орбиты, имеющей больший радиус, на орбиту, имеющую меньший радиус.

Важнейшей особенностью способа разделения заряженных частиц является возможность закрутить по круговой орбите только легкие заряженные частицы, практически не изменяя прямолинейную траекторию тяжелых заряженных частиц. Расщепление 1 пучков изотопных ионов в этом случае максимально и равно l = R₁-R₁cosα₁, где α₁ - угол поворота легкого изотопного иона по круговой орбите радиуса R₁. Подразумевается, что угол α₁ < π/2. Протяженность L зоны разделения заряженных частиц по массам в этом случае становится минимальной и определяется по формуле L = R₁α₁, где угол α₁ измеряется в радианах.

Применение предлагаемого способа разделения заряженных частиц обеспечивает следующие преимущества.

1. Создание основы новых исходных данных для признанных и ожидаемых, текущих и предвидимых прикладных задач во многих областях ядерной физики, электроники, ионной техники, экологической техники, техники облучения и техники имплантации частиц.

2. Выполнение параллельного решения экологических проблем охраны окружающей среды, рационального использования природных ресурсов и проблем разделения веществ в электромагнитных полях.

3. Решение физической проблемы избирательного захвата магнитным полем ионов, имеющих одну массу, из пучка смеси ионов.

4. Осуществление экологически безопасного разделения веществ на основе технологии формирования расходящихся магнитных барьеров магнитного поля.

5. Осуществление разделения изотопных ионов бинарных и многокомпонентных изотопных смесей, разделения электронов по энергиям, а также единых пучков заряженных частиц на несколько пучков.

При этом экологические проблемы с применением способа решаются следующим образом.

1. Уменьшаются габариты устройств для разделения заряженных частиц по массам, что приводит к резкому уменьшению количества материалов, затрачиваемых на изготовление устройств для разделения заряженных частиц по массам, т.е. приводит к рациональному использованию природных ресурсов.

2. Уменьшением габаритов устройств для разделения заряженных частиц по массам обеспечивается возможность высвобождения до 90% земли, занятой под производство веществ.

3. Вследствие повышения селективности разделения сокращаются потери разделяемого вещества, что приводит к уменьшению техногенного заражения среды обитания и к рациональному использованию природных ресурсов.

4. Обеспечивается возможность разработать схемы новых устройств для электронно-пучковой экологической очистки воздушной среды, схемы новых устройств для экологической очистки воды и схемы новых устройств для экологической очистки воздуха и воды.

Изобретение относится к ядерной технике. Производят формирование смеси заряженных частиц путем ионизации в ионизационной камере, вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц из ионизационной камеры, разделение заряженных частиц магнитным полем и прием разделенных заряженных частиц в приемник заряженных частиц. При этом разделение заряженных частиц производят путем воздействия магнитных барьеров статического или регулируемого магнитного поля при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения магнитных барьеров в зависимости от массы разделяемых заряженных частиц. Магнитными барьерами являются повышенные значения магнитной индукции в протяженных областях пространства. Магнитные барьеры можно получить посредством электрических токов, протекающих по полым проводникам либо полым сверхпроводникам, а также путем использования магнитных катушек с протяженными в пространстве сердечниками. Разделение частиц выполняют во время их полета в магнитном поле. Обеспечено повышение селективности при разделении заряженных частиц путем расширения возможностей расщепления пучков заряженных частиц. 6 ил.

Способ разделения заряженных частиц по массам, включающий формирование смеси заряженных частиц путем ионизации в ионизационной камере, вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц из ионизационной камеры, разделение заряженных частиц путем воздействия магнитных барьеров статического магнитного поля и прием разделенных заряженных частиц, отличающийся тем, что разделение заряженных частиц производят путем воздействия магнитных барьеров статического или регулируемого магнитного поля при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения магнитных барьеров в зависимости от массы разделяемых заряженных частиц.