АНТЕННА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ НА ВТОРОЙ ГАРМОНИКЕ ЦИКЛОТРОННОЙ ЧАСТОТЫ МЕТОДОМ ИОННО-ЦИКЛОТРОННОГО РЕЗОНАНСА Российский патент 2001 года по МПК B01D59/48 H01Q7/08 

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).

Известны устройства, предназначенные для нагрева ионов в плазменном методе разделения изотопов с использованием ионно-циклотронного резонанса (ИЦР-метод) для нагрева целевого изотопа [1]. В этих устройствах реализуется селективный ионно-циклотронный нагрев ионов целевого изотопа 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].

Недостатком, описанных выше устройств, является ограничение производительности, связанное с ограничением плотности плазмы в этом методе. Производительность такого устройства определяется полным потоком (током) плазмы, который равен произведению плотности плазмы на площадь сечения и на скорость потока плазмы. Повышение производительности за счет увеличения площади сечения потока плазмы требует существенного увеличения стоимости установки. Повышение производительности за счет увеличения плотности плазмы ограничено за счет экранировки (скинирования) внешнего электрического поля во внешних слоях плазмы при плотности выше 10¹² см^-3.

Известны устройства, предназначенные для нагрева ионов в ИЦР-методе с использованием ионно-циклотронного резонанса на второй гармонике [2]. В этих устройствах реализуется селективный ионно-циклотронный нагрев ионов целевого изотопа за счет того, что ионы этого изотопа находятся в однородном магнитном поле (как и вся плазма) и греются высокочастотным электрическим полем с частотой, равной удвоенной циклотронной частоте. Эффект экранирования при использовании для нагрева плазмы второй гармоники ионно-циклотронной частоты существенно снижается, что обеспечивает нагрев плазмы при плотностях в 10-30 раз выше, чем в известном варианте нагрева на первой гармонике [1]. Соответственно повышается производительность метода.

Для реализации нагрева на второй гармонике необходимо, чтобы греющее плазму высокочастотное электрическое поле обладало определенной геометрической структурой, существенной особенностью которой является наличие градиента амплитуды электрического поля.

Можно осуществить нагрев плазмы на второй гармонике ионно-циклотронной частоты с использованием потенциального электрического поля, как это предлагается в [2]. При этом необходимо, чтобы плазма плотно заполняла все пространство между электродами, создающими высокочастотное электрическое поле. При нарушении этого условия и наличия промежутков между плазмой и электродами электрическое поле в плазме существенно ослабляется за счет его перераспределения в пространстве. Максимальная напряженность поля при этом реализуется в этих промежутках вне плазмы.

Можно осуществить нагрев плазмы на второй гармонике ионно-циклотронной частоты с использованием вихревого электрического поля. В этом варианте нагрева плазмы отсутствуют электроды и, таким образом, отсутствует проблема ослабления электрического поля за счет эффектов, связанных с наличием электродов.

Можно создать вихревое электрическое поля для нагрева плазмы на второй гармонике циклотронной частоты с помощью обычной соленоидальной антенны, обмотки которой лежат на цилиндрической образующей. Однако при использовании цилиндрической соленоидальной антенны эффективность нагрева плазмы очень низка, поскольку поле, создаваемое этой антенной, не обладает необходимой геометрической структурой, и нагрев осуществляется только благодаря градиентам полей, возникающих из-за искажения поля антенны плазмой. Кроме того, в цилиндрическом случае нагрев вообще отсутствует на оси системы, где плотность плазмы максимальна.

Для получения высокочастотного поля с геометрической структурой, необходимой для нагрева плазмы на второй гармонике циклотронной частоты, следует использовать специальную антенну. Прототипом предлагаемого устройства является устройство того же назначения, применяемое в установке для разделения изотопов и описанное в [2].

Сущность изобретения заключается в увеличении производительности метода ИЦР разделения изотопов на второй гармонике за счет увеличения плотности плазмы, при которой сохраняется однородность прогрева плазменной струи (включая ее центр) и отсутствует ослабление внешнего вихревого электрического поля в объеме плазмы.

Указанный технический результат достигается за счет использования соленоидальной антенны планарного типа (рис. 1), в виде вытянутого вдоль магнитного поля соленоида, имеющего в сечении, перпендикулярном магнитному полю, форму прямоугольника, одна из сторон которого (2d) много больше другой (2b), например d= (3-10)b. Указанный технический результат достигается также при использовании антенны планарного типа, имеющей в сечении форму овала при условии, что отношение ширины к высоте овала должно быть много больше 1.

Изложенная выше совокупность признаков обеспечивает достижение указанного технического результата, то есть позволяет улучшить эффективность нагрева резонансных ионов.

Все вышеизложенное обуславливает причинно-следственную связь между признаками и технического результата, и существенность признаков формулы изобретения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

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

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 представлена схема заявленной планарной антенны, где изображено: 1 - антенна соленоидального типа, 2 - плазменный поток. На фиг. 2 представлена аналогичная антенна, имеющая в сечении форму овала.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов. Средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

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

2. Волосов, И.А.Котельников, И.Н.Чуркин. "Способ нагрева ионов целевого изотопа на второй гармонике циклотронной частоты в градиентном электрическом поле в плазменном ИЦР-методе разделения изотопов и устройство для его осуществления". Заявка на изобретение N 98102500/09.

Изобретение относится к области электрофизики, в частности к системам, служащим для высокочастотного (ВЧ) нагрева ионов плазмы в установках для разделения изотопов методом ионно-циклотронного резонанса (ИЦР-метод). Техническим результатом является увеличение производительности ИЦР-метода разделения изотопов за счет увеличения плотности плазмы, при которой сохраняется однородность нагрева и отсутствует ослабление внешнего высокочастотного поля в объеме плазмы за счет нагрева целевого изотопа на второй гармонике (удвоенной частоте) циклотронной частоты целевого изотопа вихревым высокочастотным электрическим полем. Указанный технический результат достигается за счет использования соленоидальной антенны планарного типа в виде вытянутой вдоль магнитного поля соленоидальной антенны, имеющей в сечении, перпендикулярном магнитному полю, форму прямоугольника, одна из сторон которого много больше другой, или форму овала при условии, что отношение ширины к высоте овала должно быть много больше 1. 2 ил.

Антенна для разделения изотопов на второй гармонике циклотронной частоты методом ионно-циклотронного резонанса, отличающаяся тем, что представляет собой планарную конструкцию в виде вытянутого вдоль магнитного поля соленоида, имеющего в сечении, перпендикулярном магнитному полю, форму прямоугольника, одна из сторон которого значительно длиннее другой.