СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ИТТЕРБИЯ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ СЕПАРАТОРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСТОЧНИКА ИОНОВ Российский патент 2000 года по МПК B01D59/48 

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения изотопов химических элементов, а точнее к электромагнитному разделению изотопов иттербия.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано для промышленного электромагнитного разделения стабильных изотопов иттербия: иттербия - 168, иттербия - 170, иттербия - 171, иттербия - 172, иттербия - 173, иттербия - 174, иттербия - 176.

Известен способ разделения изотопов химических элементов, применяемый для промышленного электромагнитного разделения изотопов, предусматривающий нагрев тигля с рабочим веществом и газоразрядной камеры тепловым излучением от нагревателей активного сопротивления до образования пара рабочего вещества, ионизацию молекул пара в газоразрядной камере, из которой ионы извлекаются и формируются в ионный пучок, разделяемый и фокусируемый магнитным полем в соответствии с массой изотопов и улавливаемый коробками приемника (Н.А. Кащеев, В.А. Дергачев "Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ", М., "Энергоатомиздат", 1989 г.).

Одним из недостатков указанного способа является то, что он недостаточно эффективен для разделения редкоземельных элементов, когда в качестве рабочего вещества используются их соединения с галогенами.

Недостаток известного способа разделения изотопов иттербия в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов заключается также и в том, что технический результат неудовлетворительный ввиду низкой производительности способа и получения невысокого обогащения улавливаемых изотопов. Это обусловлено малыми ионными токами на приемник, небольшим временем работы источника и длительным обезгаживанием рабочего вещества вследствие его гигроскопичности, а также неудовлетворительной фокусировкой и нестабильностью работы источника, вызванных следующими факторами:
1) сложностью подбора теплового режима нагрева тигля из-за неравномерности испарения рабочего вещества;
2) частыми пробоями и паразитными переменными токовыми утечками между электродами ионно-оптической системы или между электродами и корпусом оборудования;
3) необходимостью частой настройки на рабочие режимы из-за малого времени работы источников.

Технический результат изобретения - улучшение фокусировки, увеличение обогащения разделяемых изотопов иттербия и повышение производительности электромагнитного метода разделения.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве рабочего вещества используется металлический иттербий. Данное рабочее вещество не гигроскопично, не реагирует с конструкционными материалами источника, образует давление паров, достаточное для поддержания устойчивого горения дуги разряда в диапазоне температур 550-650^oC и обеспечивает стабильную работу источника.

Проведенный анализ общедоступных источников информации об уровне техники не позволил выявить техническое решение, тождественное заявленному, на основании чего делается вывод о неизвестности последнего, т.е. соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию "новизна".

Сопоставительный анализ заявленного решения с известными техническими решениями позволил выявить, что представленная совокупность отличительных признаков неизвестна для специалиста в данной области и не следует явным образом из известного уровня техники, на основании чего делается вывод о соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию "изобретательский уровень".

Для пояснения изобретения ниже представлен пример осуществления способа разделения изотопов иттербия в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов. Для эксперимента использовалась одна из разделительных камер электромагнитного сепаратора "СУ-20" комбината "Электрохимприбор", г. Лесной, Свердловской области. Навеску металлического иттербия размещали в горизонтально расположенном тигле из стали марки 12Х18Н10Т источника ионов, имеющего два нагревателя: для нагрева газоразрядной камеры и для нагрева тигля. После установки источника и семикоробочного приемника в разделительную камеру сепаратора производили откачку камеры вакуумными насосами до давления (0,8-1,5)•10^-3 Па и высоковольтную тренировку источника до напряжения 33-34 кВ.

С целью получения электронного пучка в газоразрядной камере источника подавали напряжения на катодный блок, обеспечивающие: ток через нить накала 65-70 А, напряжение между нитью и термокатодом 0,8-1,0 кВ, ток эмиссии 0,4-0,5 А. При токе дугового разряда 0,6-1,2 А и напряжении разряда 80-120 В осуществлялась ионизация паров рабочего вещества, образование которых происходило при мощности нагревателя газоразрядной камеры 800-900 Вт и при мощности нагревателя тигля 150-200 Вт.

Образующиеся ионы иттербия с помощью ионно-оптической системы вытягивались через щель газоразрядной камеры и формировались в ионный пучок, который под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля 3370 Э в камере разделялся на семь ионных пучков изотопов в соответствии с массами ионов. Данные пучки изотопов фокусировались магнитным полем в фокальной плоскости, в которой помещались входы в коробки приемника.

После накопления приемники вынимали из разделительной камеры, методом анодного травления производили съем изотопов из коробок, полученный изотопно-обогащенный раствор анализировали на обогащение и перерабатывали до конечного продукта.

В процессе экспериментального и опытно-промышленного разделения на промышленном электромагнитном сепараторе "СУ-20" комбината "Электрохимприбор", г. Лесной, Свердловской области в общей сложности получено:
- изотопа Yb-168 с обогащением 40,0% - 13 г;
- изотопа Yb-170 с обогащением 86,0% - 177 г;
- изотопа Yb-171 с обогащением 95,5% - 700 г;
- изотопа Yb-172 с обогащением 97,1% - 930 г;
- изотопа Yb-173 с обогащением 92,4% - 700 г;
- изотопа Yb-174 с обогащением 99,2% - 1160 г;
- изотопа Yb-176 с обогащением 97,3% - 795 г.

В таблице для сравнения приведены основные параметры существующего способа разделения изотопов иттербия по прототипу и по заявляемому техническому решению, а также обогащение по изотопам.

Предложенный способ разделения изотопов иттербия в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов по сравнению с существующими методами показал свою высокую эффективность в получении технико-экономического результата. Использование на практике заявляемого технического решения позволяет улучшить фокусировку и увеличить обогащение разделяемых изотопов иттербия.

Способ позволяет также поднять производительность электромагнитной установки. Это дает возможность эффективно использовать указанный способ для промышленного электромагнитного разделения изотопов иттербия и получения изотопов: Yb-168, Yb-170, Yb-171, Yb-172, Yb-173, Yb-174 и Yb-176 в большем количестве и с более высоким обогащением.

Реализация заявленного технического решения возможна на существующем оборудовании без дополнительного обучения персонала навыкам работы.

Изобретение может быть использовано для получения высокообогащенных изотопов иттербия в промышленных масштабах. Рабочее вещество - металлический иттербий - помещают в тигель источника ионов. Нагревают до парообразного состояния. Пары ионизируют в газоразрядной камере под действием электронной эмиссии с термокатода. Формируют ионные пучки электродами ионно-оптической системы, разделяют и фокусируют их в магнитном поле. Ионы улавливают коробками приемника. По окончании процесса коробки снимают. Съем изотопов производят методом анодного травления. Обогащение по изотопам, %: Yb - 168-40; Yb - 170-86; Yb - 171-95,5; Yb - 172-97,1; Yb - 173-92,4; Yb - 174-99,2; Yb - 176-97,3, увеличивается производительность процесса. 1 табл.

Способ разделения изотопов иттербия в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов, включающий размещение рабочего вещества в тигле источника ионов, нагрев рабочего вещества до парообразного состояния, ионизацию паров рабочего вещества в газоразрядной камере источника под действием электронной эмиссии с термокатода, формирование ионного пучка электродами ионно-оптической системы, разделение и фокусирование ионных пучков изотопов в магнитном поле, улавливание ионов коробками приемника, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества используют металлический иттербий.