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 изотопа из 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 поле заряженные частицы.

Известно устройство для разделения заряженных частиц в плазме, 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 B 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 известного устройства является низкая селективность при разделении заряженных частиц из-за ограниченных возможностей расщепления пучков изотопных ионов, поскольку разделяются рассеянные и несфокусированные пучки изотопных ионов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для разделения заряженных частиц по массам, в котором разделение частиц осуществляется на магнитных барьерах электромагнитного поля (см. патент РФ N 2133141, 6 B 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, приемник заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц полого элемента преимущественно круглого поперечного сечения и соединенной с ним, расположенной внутри него трубы, снабженных продольными щелевыми прорезями, изготовленными со стороны наименьших радиусов их изгиба в плоскости симметрии сепаратора, причем указанный элемент и труба выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, а источник заряженных частиц установлен вблизи области соединения указанного элемента и трубы. Указанный полый элемент преимущественно круглого поперечного сечения выполнен в виде трубы.

Основными недостатками прототипа являются, во-первых, невысокая селективность при разделении заряженных частиц вследствие расщепления пучков изотопных ионов с помощью магнитных барьеров в форме неглубоких магнитных желобов, расположенных вдоль продольных щелевых прорезей в полом элементе преимущественно круглого поперечного сечения и трубе в области их точечного общего внутреннего касания, и последующей транспортировки заряженных частиц по этим магнитным желобам; во-вторых, наличие потерь тяжелых заряженных частиц при транспортировке после разделения из-за невозможности создать магнитный барьер в форме достаточно глубокого магнитного желоба для транспортировки тяжелых заряженных частиц.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для разделения заряженных частиц по массам, содержащем вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, приемник заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц полого элемента преимущественно круглого поперечного сечения и соединенной с ним, расположенной внутри него трубы, снабженных продольными щелевыми прорезями, изготовленными со стороны наименьших радиусов их изгиба в плоскости симметрии сепаратора, причем указанный элемент и труба выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, а источник заряженных частиц установлен вблизи области соединения указанного элемента и трубы, указанный элемент выполнен в виде раструба, расширяющегося в направлении от области его соединения с трубой к приемникам с образованием зазора между наружной поверхностью трубы и внутренней поверхностью раструба.

Техническим результатом является повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам и уменьшение потерь тяжелых заряженных частиц при транспортировке после разделения.

Повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам обеспечивается увеличением расщепления нерассеянных, узких пучков заряженных частиц, происходящим при выполнении полого элемента преимущественно круглого поперечного сечения в виде раструба, расширяющегося в направлении от области его соединения с трубой к приемникам. Повышение селективности обеспечивается также вследствие формирования глубокого магнитного желоба в продольных щелевых прорезях в раструбе и трубе для транспортировки неразделенных и разделенных по массам заряженных частиц, что стало возможным при замене точечного касания имеющих различные поперечные сечения труб соединением по окружной линии раструба и расположенной в нем трубы.

Снижение потерь тяжелых заряженных частиц на пути транспортировки произведено созданием глубокого магнитного желоба для транспортировки тяжелых заряженных частиц вдоль трубы, имеющей большее, чем в прототипе изобретения, приближение величины поперечного сечения к величине поперечного сечения полого элемента преимущественно круглого поперечного сечения из-за соединения по окружной линии раструба и трубы.

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 изогнутых с разными радиусами по дугам круговых орбит заряженных частиц полого элемента преимущественно круглого поперечного сечения, выполненного в виде раструба 7, и трубы 8, установленных друг в друге с соединением по окружной линии в одном их конце, и приемники 9, 10 заряженных частиц. Раструб 7 расширяется в направлении от области его соединения с трубой 8 у источника 2 заряженных частиц к приемникам 9, 10 заряженных частиц с образованием зазора между наружной поверхностью трубы 8 и внутренней поверхностью раструба 7.

Сепаратор заряженных частиц, изготовленный в виде сварного изделия из раструба 7 и трубы 8, по которым протекают постоянные по направлению электрические токи, формирующие статическое магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами для разделения изотопов, одновременно является источником магнитного поля. Магнитными барьерами являются повышенные значения магнитной индукции в протяженных областях пространства около раструба 7 и трубы 8. Сепаратор 6 заряженных частиц содержит раструб 7, изготовленный из проводящего электрический ток материала, трубу 8, изготовленную из токопроводящего материала, и изоляторы 5. Диаметр узкой части раструба 7 равен диаметру трубы 8. Труба 8 расположена внутри раструба 7 таким образом, что один конец трубы 8 соединен с раструбом 7 в его узкой части. Раструб 7 и труба 8 расположены симметрично относительно плоскости симметрии сепаратора 6, раструба 7 и трубы 8. Раструб 7 загнут по дуге окружности, радиус которой соответствует радиусу круговой орбиты легких заряженных частиц. Труба 8 загнута по дуге окружности, радиус которой соответствует радиусу круговой орбиты тяжелых заряженных частиц. В раструбе 7 и в трубе 8 со стороны наименьшего радиуса изгиба раструба 7 и трубы 8 изготовлено по одной продольной щелевой прорези 11, при этом оси прорезей 11 лежат в плоскости симметрии раструба 7 и трубы 8. Данное последовательное расположение раструба 7 и трубы 8 обеспечивает разделение пучков заряженных частиц в зависимости от их массы. Источник заряженных частиц 2 размещен у продольных щелевых прорезей 11 вблизи области соединения загнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц раструба 7 и трубы 8 сепаратора 6 заряженных частиц.

Для индукции магнитного поля с магнитными барьерами вдоль раструба 7 и вдоль трубы 8 необходимо подать электрический ток в одном направлении. Отрицательный потенциал при этом, общий для раструба 7 и трубы 8, подается на конец раструба 7 и на конец трубы 8 в том конце сепаратора 6, в котором вводятся разделяемые положительно заряженные частицы. Положительные потенциалы подаются на концы раструба 7 и трубы 8 в другом конце сепаратора 6, из которого выводятся разделенные положительно заряженные частицы. Значения разности потенциалов регулируются. Распределение индукции в плоскости симметрии сепаратора 6 заряженных частиц, в направлении по радиусу сепаратора 6 заряженных частиц, в зоне разделения заряженных частиц таково, что получается поле с расходящимися барьерами магнитной индукции.

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 вытягивают электрическим полем между электродами 4 источника 2 заряженных частиц и затем направляют в сепаратор 6.

Выведенная из источника 2 смесь заряженных частиц в сепаратор 6 заряженных частиц подается в плоскости симметрии сепаратора 6, в пространство, находящееся между вакуумной камерой 1 и местом соединения раструба 7 и трубы 8 сепаратора 6 заряженных частиц. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка в месте соединения раструба 7 и трубы 8 создан электрическими токами по раструбу 7 и трубе 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 трубы 8, которая одновременно является областью расхождения электрических токов, областью расхождения продольных щелевых прорезей 11, областью магнитного поля с расходящимися магнитными барьерами, областью поля с меньшими 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 и проходящей вдоль раструба 7, а пучок тяжелых заряженных частиц через продольную щелевую прорезь 11 в раструбе 7 переходит с имеющей малый радиус орбиты на орбиту, имеющую больший радиус и проходящую вдоль трубы 8. Удержание пучка легких заряженных частиц на проходящей вдоль раструба 7 орбите возможно только при условии возрастания радиуса этой орбиты, соответствующего уменьшению магнитного барьера из-за увеличения диаметра раструба 7 по ходу легких заряженных частиц. Удержание пучка тяжелых заряженных частиц на орбите, имеющей больший радиус, производится другим магнитным барьером, т.е. достаточным значением магнитной индукции, созданной электрическим током, протекающим по трубе 8, и, в малой степени, электрическим током по раструбу 7. Если требуется, подлетающие к сепаратору 6 тяжелые заряженные частицы направить на орбиту, имеющую меньший радиус и проходящую вдоль раструба 7, то для этого увеличивают электрический ток, протекающий по раструбу 7.

Функциональной особенностью сепаратора заряженных частиц является возможность приблизить селективность при разделении заряженных частиц к максимальной за счет расщепления пучков изотопных ионов с помощью магнитных барьеров, имеющих форму глубоких магнитных желобов, расположенных вдоль расходящихся прорезей 11 в раструбе 7 и трубе 8, и за счет последующей транспортировки пучков изотопных ионов по этим глубоким магнитным желобам. Формирование магнитных барьеров в виде глубоких магнитных желобов стало возможным вследствие соединения раструба 7 и трубы 8 по окружной линии у источника 2 заряженных частиц.

После сепаратора 6 заряженных частиц легкие заряженные частицы попадают в приемник 9, а тяжелые заряженные частицы попадают в приемник 10, и накапливаются в этих приемниках. Приемник 9 легких заряженных частиц и приемник 10 тяжелых заряженных частиц изготовлены в виде карманов 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. Повышение производительности устройства для разделения заряженных частиц по массам требует увеличения размеров источника заряженных частиц, сепаратора и приемников заряженных частиц.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными техническими решениями в этой области повышает селективность при разделении заряженных частиц по массам, так как увеличено расщепление нерассеянных, узких пучков заряженных частиц, происходящее при выполнении полого элемента преимущественно круглого поперечного сечения в виде раструба, расширяющегося в направлении от области его соединения с трубой к приемникам. Изобретение повышает селективность также вследствие разделения заряженных частиц и последующей транспортировки заряженных частиц с помощью магнитных барьеров, сформированных в виде глубоких магнитных желобов в продольных щелевых прорезях в раструбе и трубе. Формирование магнитных барьеров в виде глубоких магнитных желобов стало возможным при замене точечного касания имеющих различные поперечные сечения труб соединением по окружной линии раструба и расположенной в нем трубы. Предлагаемое изобретение снижает потери тяжелых заряженных частиц на пути транспортировки частиц вследствие транспортировки по глубокому магнитному желобу, исключающему потери продукта, вдоль трубы. Формирование глубокого магнитного желоба вдоль трубы стало возможным при замене точечного касания имеющих различные поперечные сечения труб соединением по окружной линии раструба и расположенной в нем трубы.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам испытано на электрофизических моделях. На 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 второй электрофизической модели устройства для разделения заряженных частиц по массам 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 изотопа из 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 раструба 7 и установленной в нем трубы 8. Раструб 7 и труба 8 соединены у источника заряженных частиц 2. Раструб 7 выполнен расширяющимся в направлении от области совмещения с трубой 8 к приемникам 9 и 10 с образованием зазора между его внутренней поверхностью и наружной поверхностью трубы 8. В раструбе 7 и трубе 8 вблизи области их совмещения со стороны наименьшего радиуса изгиба раструба 7 изготовлены щелевые прорези 11. Оси симметрии щелевых прорезей 11 расположены в плоскости симметрии сепаратора 6. Раструб 7 и труба 8 выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов. Устройство характеризуется высокой производительностью и селективностью разделения. 2 ил.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, приемник заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц полого элемента преимущественно круглого поперечного сечения и соединенной с ним, расположенной внутри него трубы, снабженных продольными щелевыми прорезями, изготовленными со стороны наименьших радиусов их изгиба в плоскости симметрии сепаратора, причем указанный элемент и труба выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, а источник заряженных частиц установлен вблизи области соединения указанного элемента и трубы, отличающееся тем, что указанный элемент выполнен в виде раструба, расширяющегося в направлении от области его соединения с трубой к приемникам с образованием зазора между наружной поверхностью трубы и внутренней поверхностью раструба.