УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО МАССАМ Российский патент 2001 года по МПК B01D59/48 H05H5/00 

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования при разделении заряженных частиц, например для выделения изотопов из их естественной смеси в широком диапазоне множественности химических элементов.

Известно несколько устройств для разделения заряженных частиц по массам электромагнитным методом. Устройства разработаны в процессе поиска надежных методов разделения изотопов, методов реализации управляемого ядерного и термоядерного синтеза, методов формирования пучков заряженных частиц в ионно-пучковых и электронно-пучковых устройствах и методов управления пучками заряженных частиц в ускорительной технике. Для разделения заряженных частиц используют центробежную силу и силу Лоренца, действующие на движущиеся в магнитном и электромагнитном полях заряженные частицы.

Известен плазменный масс-сепаратор, в котором разделение частиц осуществляется на участках однородного и неоднородного магнитных полей катушек с обмоткой, выполненных в виде соленоидов, при селективном нагреве в плазме ионов выбранного изотопа. Селективный нагрев ионов выбранного изотопа воздействием высокочастотных электромагнитных полей осуществляется с помощью высокочастотного генератора и антенны (см. патент РФ N 2069084, 6 В 01 D 59/48, H 01 J 49/26, H 05 H 1/02). Плазменный масс-сепаратор содержит вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, представляющий собой источник плазмы, источник электронов, сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде магнитной системы с прямым трубчатым участком однородного магнитного поля, на котором осуществляется селективный нагрев в плазме ионов выбранного изотопа воздействием электромагнитного поля с частотой, равной его циклотронной частоте, и участком неоднородного магнитного поля, выполненным в виде изогнутых труб, высокочастотную антенну и приемник заряженных частиц, выполненный в виде коллекторов для отбора требуемых ионных компонентов. Источник электронов в плазменном масс-сепараторе выполнен в виде по крайней мере одного кольцевого эмиттера, сепаратор заряженных частиц выполнен многоступенчатым, каждая его ступень содержит участок однородного магнитного поля, на котором осуществляется селективный нагрев ионов, и участок неоднородного магнитного поля, причем участок неоднородного магнитного поля включает четное число отрезков тороидальных соленоидов с чередующейся по знаку кривизной, а коллекторы ионов выполнены подвижными и расположены между тороидальными соленоидами и на выходе каждой ступени.

Недостатком плазменного масс-сепаратора является низкая селективность при разделении заряженных частиц вследствие малых возможностей расщепления пучков изотопных ионов из-за того, что пучки плохо сфокусированы.

Известно устройство для разделения заряженных частиц, в котором разделение частиц осуществляется на магнитных барьерах электромагнитного поля, расположенных вдоль электропроводящих труб (см. патент РФ N 2133141, 6 В 01 D 59/48, H 01 J 49/30). Устройство для разделения заряженных частиц по массам содержит вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде изогнутых труб, и приемник заряженных частиц. Трубы сепаратора изогнуты по дугам круговых орбит заряженных частиц и расположены друг в друге в порядке возрастания радиусов изгиба в направлении от области их внутреннего касания. В трубах сепаратора выполнены продольные щелевые прорези, которые расположены со стороны наименьшего радиуса изгиба каждой трубы в плоскости симметрии труб. Источник заряженных частиц установлен вблизи места внутреннего касания изогнутых труб, а трубы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов.

Основным недостатком известного устройства для разделения заряженных частиц является невысокая селективность при разделении заряженных частиц вследствие небольшого расщепления пучков изотопных ионов, ограниченного малым расхождением труб сепаратора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для разделения заряженных частиц, в котором разделение частиц осуществляется на магнитных барьерах электромагнитного поля, расположенных вдоль электропроводящих раструбов (см. патент РФ N 2135270, 6 В 01 D 59/48, H 01 J 49/26). Устройство для разделения заряженных частиц по массам содержит вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор, выполненный в виде наружного и внутреннего раструбов, изогнутых в плоскости симметрии сепаратора по дугам орбит заряженных частиц, установленных один в другом с совмещением вблизи источника заряженных частиц с образованием зазора между боковыми поверхностями и снабженных продольными щелевыми прорезями в плоскости симметрии сепаратора, при этом внутренний раструб изготовлен сужающимся в направлении от области совмещения к приемникам, и изогнутым по дуге орбиты тяжелых заряженных частиц, и оба раструба выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов. Наружный раструб выполнен сужающимся в направлении от области совмещения к приемникам и прямым, причем зазор между боковыми поверхностями раструбов со всех сторон одинаков, а щелевые прорези в каждом из раструбов расположены со всех сторон.

Основным недостатком устройства-прототипа является невысокая селективность при разделении заряженных частиц по массам вследствие небольшого расщепления пучков изотопных ионов из-за ограниченной возможности разведения узких частей аксиальных раструбов, установленных один в другом с совмещением в широкой части каждого раструба.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для разделения заряженных частиц по массам, содержащем вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор, выполненный в виде наружного и внутреннего раструбов, изогнутых в плоскости симметрии сепаратора по дугам орбит заряженных частиц, установленных один в другом с совмещением вблизи источника заряженных частиц с образованием зазора между боковыми поверхностями и снабженных продольными щелевыми прорезями в плоскости симметрии сепаратора, при этом внутренний раструб изготовлен сужающимся в направлении от области совмещения к приемникам и изогнутым по дуге орбиты тяжелых заряженных частиц, и оба раструба выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, наружный раструб выполнен расширяющимся в направлении от области совмещения к приемникам и изогнутым по дуге орбиты легких заряженных частиц, причем зазор между боковыми поверхностями раструбов со стороны наименьших радиусов их изгибов выполнен большим, чем зазор со стороны наибольших радиусов их изгиба, а щелевые прорези в каждом из раструбов расположены со стороны наименьших радиусов изгиба.

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

Повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам обеспечивается вследствие увеличения возможностей расщепления пучков изотопных ионов, т.е. предлагаемое устройство позволяет разводить пучки изотопных ионов на больший угол, чем угол, на который разводит эти пучки устройство-прототип, вследствие применения наружного раструба, расширяющегося в направлении от области совмещения к приемникам и изогнутого по дуге орбиты легких заряженных частиц. При этом зазор между боковыми поверхностями внутреннего и наружного раструбов со стороны наименьших радиусов их изгибов выполнен большим, чем зазор со стороны наибольших радиусов их изгиба, а щелевые прорези в каждом из раструбов расположены со стороны наименьших радиусов изгиба.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц по массам, на фиг. 2 - вид снизу 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 расширяющегося раструба 7 и сужающегося раструба 8, установленных друг в друге с внутренним совмещением по круговой линии, и приемники 9, 10 заряженных частиц. Сепаратор 6 заряженных частиц выполнен в виде изогнутых в плоскости симметрии сепаратора 6 по дугам орбит заряженных частиц наружного раструба 7 и внутреннего раструба 8, установленных один в другом с совмещением в части каждого раструба 7, 8 вблизи источника 2 заряженных частиц при образовании зазора между боковыми поверхностями раструбов 7, 8 и снабженных щелевыми прорезями 11 в плоскости симметрии сепаратора 6. Раструбы 7, 8, выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов. В направлении от области совмещения в части каждого раструба 7, 8 вблизи источника 2 заряженных частиц к приемникам 9, 10 заряженных частиц наружный раструб 7, изогнутый по дуге орбиты легких заряженных частиц, выполнен расширяющимся, а внутренний раструб 8, изогнутый по дуге орбиты тяжелых заряженных частиц, выполнен сужающимся. Зазор между боковыми поверхностями раструбов 7, 8 со стороны наименьших радиусов изгибов раструбов 7, 8 образован большим, чем зазор между боковыми поверхностями раструбов 7, 8 со стороны наибольших радиусов изгиба раструбов 7, 8. Продольная щелевая прорезь 11 в каждом из раструбов 7, 8 расположена со стороны наименьших радиусов изгиба раструбов 7, 8.

Магнитное поле вокруг расположенных один в другом изогнутых наружного раструба 7 и внутреннего раструба 8 обеспечивает разделение пучков заряженных частиц в зависимости от их массы. Для индукции магнитного поля с магнитными барьерами вдоль раструба 7 и раструба 8 протекает электрический ток в одном направлении. Отрицательный потенциал при этом, общий для раструба 7 и раструба 8, подается на узкий конец раструба 7 и широкий конец раструба 8 в той части сепаратора 6, в которой вводятся разделяемые положительно заряженные частицы. Положительные потенциалы подаются на концы раструба 7 и раструба 8 в той части сепаратора 6, из которой выводятся разделенные положительно заряженные частицы. Протекающие вдоль расходящихся наружного раструба 7 и внутреннего раструба 8 постоянные по направлению электрические токи формируют магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами для разделения изотопов. Магнитными барьерами являются повышенные значения магнитной индукции в протяженных областях пространства около раструба 7 и раструба 8.

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.

Поступление смеси заряженных частиц в сепаратор 6 происходит в плоскости симметрии сепаратора 6, в пространство, находящееся между вакуумной камерой 1 и областью совмещения раструба 7 и раструба 8 сепаратора 6 заряженных частиц. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка в месте соединения раструба 7 и раструба 8 создан электрическими токами по раструбу 7 и раструбу 8, и поэтому магнитный барьер легко держит разделяемые заряженные частицы на единой мгновенной круговой орбите. По мере движения заряженные частицы попадают в область расхождения раструба 7 и раструба 8, в место расхождения электрических токов, в место расхождения продольной прорези 11 раструба 7 и продольной прорези 11 раструба 8, в магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами и меньшими, чем до расхождения барьеров, значениями магнитной индукции. Здесь электрическим током по раструбу 7 сформирован магнитный барьер такой высоты и магнитная индукция поддерживается 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. Удержание пучка легких заряженных частиц на проходящей вдоль раструба 7 орбите осуществляется только при условии возрастания радиуса этой орбиты по ходу легких заряженных частиц. Возрастание радиуса орбиты легких заряженных частиц соответствует уменьшению магнитного барьера из-за увеличения диаметра раструба 7 по ходу легких заряженных частиц. Возрастание радиуса орбиты легких заряженных частиц и соответствие радиуса орбиты уменьшению магнитного барьера по ходу легких заряженных частиц достигается уменьшением изгиба раструба 7 в направлении от узкой его части к широкой части. Пучок тяжелых заряженных частиц идет по орбите, расположенной вдоль раструба 8 и имеющей большой радиус. Удержание пучка тяжелых заряженных частиц на орбите, имеющей большой радиус, производится другим магнитным барьером, т.е. достаточным значением магнитной индукции, созданной в большей степени электрическим током, протекающим по раструбу 8, и в меньшей степени электрическим током по раструбу 7.

После сепаратора 6 разделенные заряженные частицы попадают в приемники 9, 10 заряженных частиц и накапливаются в них. Приемники 9, 10 заряженных частиц изготовлены в виде карманов, каждый из которых предназначен для сбора заряженных частиц одной массы. Приемники 9, 10 заряженных частиц электрически отделены от вакуумной камеры 1 изоляторами 5.

Производительность устройства для разделения заряженных частиц по массам зависит от потока извлекаемых из источника ионов, растет при увеличении напряженности вытягивающего ионы электрического поля, ширины и длины отверстия экстракции источника.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными техническими решениями в этой области повышает селективность при разделении заряженных частиц по массам, т.к. увеличивает расщепление нерассеянных узких пучков изотопных ионов, происходящее при применении наружного раструба, расширяющегося в направлении от области совмещения к приемникам и изогнутого по дуге орбиты легких заряженных частиц.

Предлагаемое устройство для разделения заряженных частиц по массам испытано на электрофизической модели. При этом пучок разделяемых по массам заряженных частиц моделирован пучком разделяемых по энергиям электронов. Пучки разделенных по массам заряженных частиц моделированы пучками разделенных 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 при выделении изотопов из их естественной смеси. Устройство содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены источник заряженных частиц 2, изоляторы 5, сепаратор 6 и приемники заряженных частиц 9 и 10. Источник заряженных частиц 2 состоит из ионизационной камеры 3 и электродов 4, формирующих вытягивающее электрическое поле. Сепаратор 6 выполнен в виде расширяющегося раструба 7 и сужающегося раструба 8. Раструбы 7 и 8 установлены друг в друге с совмещением вблизи источника заряженных частиц 2 с образованием зазора между их боковыми поверхностями. Раструбы 7 и 8 снабжены продольными щелевыми прорезями 11, расположенными в плоскости симметрии сепаратора 6. Зазор со стороны наименьших радиусов изгибов раструбов 7 и 8 выполнен большим, чем зазор со стороны наибольших радиусов их изгибов. Щелевые прорези 11 расположены со стороны наименьших радиусов изгибов раструбов 7 и 8. Изобретение характеризуется высокой производительностью и селективностью разделения. 2 ил.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор, выполненный в виде наружного и внутреннего раструбов, изогнутых в плоскости симметрии сепаратора по дугам орбит заряженных частиц, установленных один в другом с совмещением вблизи источника заряженных частиц с образованием зазора между боковыми поверхностями и снабженных продольными щелевыми прорезями в плоскости симметрии сепаратора, при этом внутренний раструб изготовлен сужающимся в направлении от области совмещения к приемникам и изогнутым по дуге орбиты тяжелых заряженных частиц и оба раструба выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, отличающееся тем, что наружный раструб выполнен расширяющимся в направлении от области совмещения к приемникам и изогнутым по дуге орбиты легких заряженных частиц, причем зазор между боковыми поверхностями раструбов со стороны наименьших радиусов их изгибов выполнен большим, чем зазор со стороны наибольших радиусов их изгиба, а щелевые прорези в каждом из раструбов расположены со стороны наименьших радиусов изгиба.