УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО МАССАМ Российский патент 2002 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 2069084, 6 В 01 D 59/48, H 01 J 49/26, Н 05 Н 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.

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 электропроводящего полого элемента и вдоль электропроводящего раструба (см. патент РФ 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 соосные кольцевой источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор, выполненный в виде аксиально установленных полого элемента, изогнутого по дугам орбит легких заряженных частиц и расположенного в нем раструба, изогнутого по дугам орбит тяжелых заряженных частиц, с совмещением в широких частях полого элемента и раструба при уменьшении поперечного сечения раструба от области совмещения к их противоположным концам, причем полый элемент и раструб выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов и снабжены продольными щелевыми прорезями, расположенными в плоскости симметрии сепаратора, а источник заряженных частиц размещен у продольных щелевых прорезей вблизи области совмещения полого элемента и раструба. Полый элемент выполнен в виде раструба, при сужении его поперечного сечения в направлении от области совмещения в широких частях полого элемента и раструба и в направлении уменьшения поперечного сечения раструба.

Основным недостатком устройства-прототипа является невысокая селективность при разделении заряженных частиц по массам вследствие недостаточного 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 соосные кольцевой источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор, выполненный в виде аксиально установленных полого элемента, изогнутого по дугам орбит легких заряженных частиц и расположенного в нем раструба, изогнутого по дугам орбит тяжелых заряженных частиц, с совмещением в широких частях полого элемента и раструба при уменьшении поперечного сечения раструба от области совмещения к их противоположным концам, причем полый элемент и раструб выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов и снабжены продольными щелевыми прорезями, расположенными в плоскости симметрии сепаратора, а источник заряженных частиц размещен у продольных щелевых прорезей вблизи области совмещения полого элемента и раструба, полый элемент выполнен в виде однополостного гиперболоида при сужении его поперечного сечения в направлении от области совмещения с раструбом и расширении его поперечного сечения в направлении уменьшения поперечного сечения раструба.

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, вследствие применения однополостного гиперболоида.

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 соосные кольцевой 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 замкнутого элемента, выполненного в виде однополостного гиперболоида 7 и раструба 8, установленного в однополостном гиперболоиде 7 с общим внутренним совмещением по окружной линии широкой части однополостного гиперболоида 7 и широкой части раструба 8, сужающегося в направлении от области общего совмещения раструба 8 и однополостного гиперболоида 7, приемник 9 для легких заряженных частиц и приемник 10 для тяжелых заряженных частиц. При этом поперечное сечение раструба 8 уменьшается от области общего совмещения однополостного гиперболоида 7 и раструба 8 к их противоположным концам; поперечное сечение однополостного гиперболоида 7 сужается в направлении от области общего совмещения в широких частях однополостного гиперболоида 7 и раструба 8 и расширяется в направлении уменьшения поперечного сечения раструба 8.

Сепаратор заряженных частиц, изготовленный в виде системы расходящихся однополостного гиперболоида 7 и раструба 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 указанных однополостного гиперболоида 7 и раструба 8. Однополостный гиперболоид 7 и раструб 8 изготовлены из проводящего электрический ток материала. Однополостный гиперболоид 7 и раструб 8 являются аксиальными. Однополостный гиперболоид 7 изогнут по дугам орбит легких заряженных частиц. Раструб 8 изогнут по дугам орбит тяжелых заряженных частиц. Однополостный гиперболоид 7 и раструб 8 снабжены продольными щелевыми прорезями 11. Оси щелевых прорезей 11 лежат в общей плоскости симметрии сепаратора 6, однополостного гиперболоида 7 и раструба 8. Предлагаемое расположение однополостного гиперболоида 7 и размещенного в однополостном гиперболоиде 7 раструба 8 обеспечивает необходимое расхождение магнитных барьеров, разделение пучков заряженных частиц в зависимости от массы частиц с помощью магнитных барьеров и максимальное расщепление пучков заряженных частиц. Источник 2 заряженных частиц размещен у продольных щелевых прорезей 11 вблизи области общего совмещения в широких частях изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц однополостного гиперболоида 7 и раструба 8. Приемники 9, 10 заряженных частиц изготовлены в виде кольцевых карманов и электрически отделены от вакуумной камеры 1 изоляторами 5.

Для индукции магнитного поля с магнитными барьерами вдоль однополостного гиперболоида 7 и раструба 8 подается электрический ток в одном направлении. При этом отрицательный потенциал, общий для однополостного гиперболоида 7 и раструба 8, подается на совмещенные широкий конец однополостного гиперболоида 7 и широкий конец раструба 8 в той части сепаратора 6, в которую поступают разделяемые положительно заряженные частицы. Положительные потенциалы подаются на концы однополостного гиперболоида 7 и раструба 8 в другой части сепаратора 6, из которой выводятся разделенные положительно заряженные частицы. Значения разности потенциалов регулируются, при этом изменяются электрические токи по однополостному гиперболоиду 7 и раструбу 8. Распределение индукции 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 производят ионизацию молекул разделяемых заряженных частиц, после чего ионы вытягиваются электрическим полем между электродами 4 источника 2 заряженных частиц и затем поступают в сепаратор 6.

Подача смеси заряженных частиц в сепаратор 6 осуществляется в плоскости симметрии сепаратора 6 в пространство, находящееся между вакуумной камерой 1 и местом совмещения однополостного гиперболоида 7 и раструба 8 сепаратора 6 заряженных частиц. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка в месте соединения однополостного гиперболоида 7 и раструба 8 создан электрическими токами по однополостному гиперболоиду 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 однополостного гиперболоида 7 и раструба 8, в место расхождения электрических токов, в место расхождения продольной прорези 11 однополостного гиперболоида 7 и соответствующей продольной прорези 11 раструба 8, в магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами и меньшими значениями магнитной индукции. Здесь электрическим током по однополостному гиперболоиду 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 однополостного гиперболоида 7 орбите достигается при условии возрастания радиуса этой орбиты по ходу легких заряженных частиц к противоположному концу однополостного гиперболоида 7. Возрастание радиуса орбиты легких заряженных частиц соответствует уменьшению магнитного барьера вдоль области расширения однополостного гиперболоида 7 по ходу легких заряженных частиц. Возрастание радиуса орбиты легких заряженных частиц и соответствие радиуса орбиты уменьшению магнитного барьера по ходу легких заряженных частиц к противоположному концу однополостного гиперболоида 7 достигается соответствующим изгибом однополостного гиперболоида 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 однополостному гиперболоиду 7.

После сепаратора 6 разделенные заряженные частицы попадают в приемники 9, 10 заряженных частиц и накапливаются в них.

Производительность устройства для разделения заряженных частиц по массам зависит от потока извлекаемых из источника 2 ионов, растет при увеличении напряженности вытягивающего ионы электрического поля, ширины и длины отверстия экстракции источника 2.

Предлагаемое изобретение, по сравнению с известными техническими решениями в этой области, повышает селективность при разделения заряженных частиц по массам, т. к. увеличивает расщепление пучков изотопных ионов, в связи с тем, что полый замкнутый элемент выполнен в виде однополостного гиперболоида, изогнутого по дугам орбит легких заряженных частиц, при сужении его поперечного сечения в направлении от области общего совмещения в широких частях полого замкнутого элемента и раструба и расширении его поперечного сечения в направлении уменьшения поперечного сечения раструба, изогнутого по дугам орбит тяжелых 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 разделении изотопов из их естественной смеси. Устройство содержит вакуумную камеру 1, соосно размещенные в ней кольцевой источник заряженных частиц 2, приемники заряженных частиц 9 и 10 и сепаратор 6. Источник заряженных частиц 2 состоит из ионизационной камеры 3 и электродов 4, формирующих вытягивающее электрическое поле. Сепаратор заряженных частиц 6 выполнен в виде однополостного гиперболоида 7 и раструба 8. Гиперболоид 7 изогнут по дугам орбит легких заряженных частиц, а раструб 8 изогнут по дугам орбит тяжелых заряженных частиц. Раструб 8 установлен внутри гиперболоида 7 с совмещением в широких частях при уменьшении поперечного сечения раструба 8 от области совмещения к противоположному концу. Гиперболоид 7 и раструб 8 снабжены продольными щелевыми прорезями 11, расположенными в плоскости симметрии сепаратора. Источник заряженных частиц 2 размещен у щелевых прорезей 11 вблизи области совмещения гиперболоида 7 и раструба 8. Гиперболоид 7 и раструб 8 выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов. Изобретение позволяет повысить селективность разделения. 2 ил.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены соосные кольцевой источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор, выполненный в виде аксиально установленных полого элемента, изогнутого по дугам орбит легких заряженных частиц и расположенного в нем раструба, изогнутого по дугам орбит тяжелых заряженных частиц, с совмещением в широких частях полого элемента и раструба при уменьшении поперечного сечения раструба от области совмещения к их противоположным концам, причем полый элемент и раструб выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов и снабжены продольными щелевыми прорезями, расположенными в плоскости симметрии сепаратора, а источник заряженных частиц размещен у продольных щелевых прорезей вблизи области совмещения полого элемента и раструба, отличающееся тем, что полый элемент выполнен в виде однополостного гиперболоида при сужении его поперечного сечения в направлении от области совмещения с раструбом и расширении его поперечного сечения в направлении уменьшения поперечного сечения раструба.