УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО МАССАМ Российский патент 2001 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.

Известно несколько устройств для разделения заряженных частиц по массам электромагнитным методом. Устройства разработаны в процессе поиска надежных методов разделения изотопов и методов управления пучками заряженных частиц в ускорительной технике.

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, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены соосные источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц и приспособление для сбора заряженных частиц. Сепаратор заряженных частиц выполнен в виде аксиальных сужающихся по дугам орбит заряженных частиц раструбов, установленных один в другом с общим совмещением в широкой части каждого раструба при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения раструбов к противоположному концу каждого раструба и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль образующих боковых поверхностей раструбов, при этом раструбы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, а кольцевой источник заряженных частиц размещен вокруг широкой части сепаратора заряженных частиц вдоль щелевых прорезей (см. патент РФ N RU 2135270, МПК⁶ B 01 D 59/48, H 01 J 49/26).

Недостатком описанного устройства является недостаточно высокая селективность при разделении заряженных частиц по массам вследствие ограниченных возможностей расщепления пучков изотопных ионов, так как это устройство изначально предназначено для разделения заряженных частиц при их полете в одном направлении и, следовательно, не позволяет закручивать по круговой орбите пучок легких изотопных ионов в одном направлении, а пучок тяжелых изотопных ионов в противоположном направлении.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для разделения заряженных частиц по массам, содержащем вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, соосные приемники заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде аксиальных сужающихся по дугам орбит заряженных частиц раструбов, установленных с совмещением при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения раструбов к противоположному концу каждого раструба и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль образующих боковых поверхностей раструбов, при этом раструбы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлениям электрических токов, раструбы, выполненные с возможностью протекания по ним постоянных расходящихся по противоположным направлениям электрических токов, размещены оппозитно друг другу с совмещением средней части одного раструба и широкой части другого раструба, а кольцевые приемники заряженных частиц установлены в противоположных концах сепаратора.

Техническим результатом является повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам 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 при выполнении раструбов с возможностью протекания по ним постоянных расходящихся по противоположным направлениям электрических токов и установленных оппозитно друг другу с общим совмещением средней части одного раструба и широкой части другого раструба в порядке уменьшения поперечных сечений раструбов в направлении от круговой линии совмещения к противоположному узкому концу каждого раструба.

Уменьшение габаритов устройства для разделения заряженных частиц по массам обеспечивается возросшими в сравнении с прототипом возможностями расщепления пучков изотопных ионов, потому что предлагаемое устройство позволяет закручивать пучок легких изотопных ионов в одном направлении, а пучок тяжелых изотопных ионов в противоположном направлении, что и обеспечивает максимальное расщепление пучков изотопных ионов на наименьшей длине зоны разделения.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц по массам, на фиг. 2 - вертикальный разрез сепаратора заряженных частиц.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены источник 2 заряженных частиц, состоящий из ионизационной камеры 3 и формирующих вытягивающее электрическое поле электродов 4, изоляторы 5, сепаратор 6 заряженных частиц, выполненный в виде аксиальных сужающихся по дугам круговых орбит заряженных частиц раструбов 7, 8, установленных оппозитно друг другу с общим совмещением средней части раструба 7 и широкой части раструба 8 при уменьшении поперечных сечений раструбов 7, 8 от области совмещения к противоположному концу каждого из этих раструбов, приемник 9 для сбора легких заряженных частиц и приемник 10 для сбора тяжелых заряженных частиц, а также подводящие электрический ток электроды 11, 12, 13, 14. При этом источник 2 заряженных частиц размещен вокруг широкой части сепаратора 6 заряженных частиц, приемник 9 для сбора легких заряженных частиц размещен около узкой части раструба 7 и приемник 10 для сбора тяжелых заряженных частиц размещен около узкой части раструба 8 сепаратора 6 заряженных частиц, электроды 11, 12 установлены в области широкой части раструба 7, электрод 13 установлен в области узкой части раструба 7, электрод 14 установлен в области узкой части раструба 8. Соосные приемник 9 для сбора легких заряженных частиц и приемник 10 для сбора тяжелых заряженных частиц изготовлены кольцевыми.

Сепаратор 6 заряженных частиц, изготовленный в виде расходящихся в противоположных направлениях раструбов 7, 8, по которым протекают постоянные расходящиеся по противоположным направлениям электрические токи, формирующие статическое магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами для разделения заряженных частиц, одновременно является источником магнитного поля. Сепаратор 6 заряженных частиц содержит раструб 7, изготовленный из проводящего или сверхпроводящего электрический ток материала, раструб 8, изготовленный из токопроводящего или сверхпроводящего материала, и изоляторы 5. Токопроводящие или сверхпроводящие раструбы 7, 8 являются аксиальными, имеют различающиеся поперечные сечения в начале широкой части и одинаковые или различающиеся поперечные сечения в узких частях, расположены оппозитно с общим совмещением, т. е. средняя часть раструба 7 совмещена по окружной линии с широким концом раструба 8. Раструб 7 сужается по дуге, кривизна которой соответствует кривизне орбиты легких заряженных частиц. Раструб 8 сужается по дуге, кривизна которой соответствует кривизне орбиты тяжелых заряженных частиц. Вдоль образующих боковых поверхностей каждого из раструбов 7, 8 для использования магнитного поля имеются продольные щелевые прорези 15. Данное оппозитное расположение сужающихся при уменьшении поперечных сечений раструбов 7 и 8 обеспечивает с помощью магнитных барьеров магнитного поля разделение пучков заряженных частиц по массам.

Для индукции магнитного поля с магнитными барьерами вдоль каждого из раструбов 7, 8 необходимо подать электрический ток в направлении от широкого к узкому концу или наоборот в зависимости от знака зарядов разделяемых заряженных частиц. При разделении положительно заряженных частиц отрицательный потенциал подается с помощью электродов 11, 12 к широкому концу раструба 7. В область широкой части раструба 7 вводятся разделяемые положительно заряженные частицы. Положительный потенциал к узкому концу раструба 7 подается с помощью электрода 13, размещенного в области приемника 9 для сбора легких заряженных частиц. Положительный потенциал к узкому концу раструба 8 подается с помощью электрода 14, размещенного в области приемника 10 для сбора тяжелых заряженных частиц. Распределение магнитной индукции по радиусу сепаратора б заряженных частиц в зоне разделения заряженных частиц таково, что получается поле с расходящимися магнитными барьерами.

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

В ионизационной камере 3 источника 2 заряженных частиц происходит ионизация молекул разделяемых заряженных частиц, после чего ионы вытягиваются электрическим полем между электродами 4 источника 2 заряженных частиц и затем поступают в сепаратор 6 заряженных частиц.

Смесь разделяемых заряженных частиц подается из источника 2 заряженных частиц в сепаратор 6 заряженных частиц, в пространство между корпусом вакуумной камеры 1 и широкой частью раструба 7, к началу продольных щелевых прорезей 15 в раструбе 7. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого участка широкой части раструба 7 до места соединения раструбов 7, 8 создан, главным образом, электрическим током, протекающим по раструбу 7. Разделяемые заряженные частицы попадают в область широкой части раструба 7, где электрическим током по раструбу 7 сформирован магнитный барьер такой высоты и магнитная индукция поддерживается на таком уровне, когда пучок легких заряженных частиц направляется по орбите вдоль раструба 7, а пучок тяжелых заряженных частиц проходит далее. Пучок тяжелых заряженных частиц в этом случае идет сначала по прямолинейной траектории мимо области расхождения раструбов 7, 8, т.е. мимо области расхождения электрических токов, мимо области расхождения магнитных барьеров магнитного поля. Затем пучок тяжелых заряженных частиц по мере приближения к раструбу 8 идет в направлении, противоположном направлению движения легкого изотопного иона. Удержание пучка тяжелых заряженных частиц на орбите производится другим магнитным барьером, т.е. достаточным значением магнитной индукции, созданной электрическим током, протекающим по раструбу 8. Понижение магнитного барьера вдоль раструба 7 приводит к переходу пучка легких заряженных частиц с круговой орбиты на прямолинейную траекторию. Если требуется заряженные частицы перевести с орбиты вдоль раструба 7 на орбиту вдоль раструба 8, то для этого увеличивают электрический ток, протекающий вдоль раструба 8 и уменьшают электрический ток, протекающий вдоль раструба 7. Понижение магнитного барьера вдоль раструб 8 приводит к переходу пучка тяжелых заряженных частиц с орбиты, проходящей вдоль раструба 8, на прямолинейную траекторию. Если требуется заряженные частицы перевести с прямолинейной траектории на орбиту, проходящую вдоль раструба 8, то для этого увеличивают электрический ток, протекающий вдоль раструба 8. Если требуется заряженные частицы перевести с орбиты, проходящей вдоль раструба 8, на орбиту, проходящую вдоль раструба 7, то для этого увеличивают электрический ток, протекающий вдоль раструба 7 и уменьшают электрический ток, протекающий вдоль раструба 8. Если требуется заряженные частицы перевести с прямолинейной траектории на орбиту, проходящую вдоль раструба 7, то для этого увеличивают электрический ток, протекающий вдоль раструба 7.

Важнейшей особенностью сепаратора заряженных частиц является возможность закрутить легкие заряженные частицы на движение вдоль одного определенного направления, а тяжелые заряженные частицы закрутить по круговой орбите и затем вывести на противоположное по направлению движение. Расщепление единого пучка на два в противоположных направлениях достигается с помощью магнитных барьеров магнитного поля при оппозитном размещении раструбов сепаратора заряженных частиц. Расщепление пучков изотопных ионов в таком случае максимально. Протяженность зоны разделения заряженных частиц по массам в этом случае становится предельно минимальной. Такой сепаратор заряженных частиц имеет размеры от трех сантиметров до пяти дециметров.

После сепаратора 6 заряженных частиц разделенные заряженные частицы попадают в приемник 9 для сбора легких заряженных частиц и в приемник 10 для сбора тяжелых заряженных частиц и накапливаются в этих приемниках. Приемник 9 для сбора легких заряженных частиц и приемник 10 для сбора тяжелых заряженных частиц изготовлены кольцевыми, находятся в противоположных концах устройства для разделения заряженных частиц по массам и электрически отделены от вакуумной камеры 1 изоляторами 5.

Производительность устройства для разделения заряженных частиц по массам определяется током извлекаемых из источника ионов, растет при увеличении напряженности вытягивающего поля, ширины и длины отверстия источника. Величина тока извлекаемых из источника ионов накладывает требования на размеры сепаратора и приемника заряженных частиц.

Предлагаемое изобретение, по сравнению с известными техническими решениями в этой области, повышает селективность при разделении заряженных частиц по массам, т.к. велико расщепление не рассеянных узких пучков заряженных частиц, происходящее при аксиальном оппозитном размещении раструбов в порядке уменьшения поперечных сечений раструбов в направлении от окружной линии их совмещения, и позволяет уменьшить, по сравнению с прототипом, габариты устройства, т. к. максимальное возможное расщепление достигается на меньшей длине сепаратора изотопов.

Предлагаемое устройство для разделения заряженных частиц по массам испытано на электрофизических моделях. Получен положительный результат испытаний. На одной электрофизической модели устройства для разделения заряженных частиц разделяемые пучки заряженных частиц моделированы немагнитными проводниками с электрическими токами. Легкие заряженные частицы моделированы легким немагнитным проводником с электрическим током. Тяжелые заряженные частицы моделированы тяжелым немагнитным проводником с таким же электрическим током. На другой модели устройства для разделения заряженных частиц по массам пучки разделяемых по массам заряженных частиц моделированы пучками разделяемых по энергиям электронов. Пучок легких заряженных частиц моделирован пучком низкоэнергетических электронов, а пучок тяжелых заряженных частиц моделирован пучком высокоэнергетических электронов.

Изобретение предназначено для ядерной техники и может быть использовано для выделения изотопов из их естественной смеси. Устройство содержит вакуумную камеру 1, в которой размещен источник заряженных частиц 2, содержащий ионизационную камеру 3, электроды 4 и изоляторы 5. Сепаратор заряженных частиц 6 выполнен в виде раструбов 7, 8, установленных оппозитно друг другу. Средняя часть раструба 7 и широкая часть раструба 8 совмещены. Поперечные сечения раструбов 7 и 8 уменьшаются от области совмещения к их противоположным концам. Приемник 9 для сбора легких частиц размещен около узкой части раструба 7. Приемник 10 для сбора тяжелых частиц размещен около узкой части раструба 8. Электроды 11 и 12 установлены в области широкой части раструба 7. Электрод 13 установлен в области узкой части раструба 7. Электрод 14 установлен в области узкой части раструба 8. Приемники 9 и 10 расположены соосно и выполнены кольцевыми. Раструбы 7 и 8 выполнены с возможностью протекания по ним постоянных, но расходящихся по противоположным направлениям токов. Устройство позволяет повысить селективность разделения изотопов, компактно и экономично. 2 ил.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены соосные приемники заряженных частиц, сепаратор и источник заряженных частиц, размещенный вокруг сепаратора, причем сепаратор выполнен в виде аксиальных раструбов, сужающихся по дугам орбит заряженных частиц, установленных с совмещением при уменьшении поперечных сечений раструбов от области их совмещения к противоположному концу каждого раструба и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль образующих боковых поверхностей раструбов, при этом раструбы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлениям электрических токов, отличающееся тем, что раструбы выполнены с возможностью протекания по ним расходящихся по противоположным направлениям токов и размещены оппозитно друг другу с совмещением средней части одного раструба и широкой части другого раструба, а приемники заряженных частиц выполнены кольцевыми и установлены в противоположных концах сепаратора около узких частей раструбов.