ИСТОЧНИК ИОНОВ Российский патент 2002 года по МПК H01J3/04 H01J37/08 

Изобретение относится к источникам ионов и может быть использовано в технологии электромагнитного разделения изотопов.

Имеются различные типы ионных источников, в том числе высокотемпературных (R. Kirchner. Progress in ion source development for on-line separator. "Nicl. Instr. and Meth.", 1981, 186, 1-2, 275-293), применяемые вследствие их малой производительности в большинстве случаев для исследовательских целей. Для промышленного электромагнитного разделения изотопов в основном применяются ионные источники калютронного типа, использующие нагрев рабочего вещества и газоразрядной камеры тепловым излучением от нагревателей активного сопротивления (Li Gondpan. et al. Some exsperimental of the calutron ion source. "Nicl. Instr. and Meth.", 1981, 186, 1-2, 353-356).

Известен источник ионов для промышленного разделения изотопов в 180^oС электромагнитном сепараторе (Н. А. Кащеев, В.А. Дергачев. Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ. М.: Энергоатомиздат, 1989, с.13-15; А. с. 873820), который содержит ионно-оптическую систему, термокатод с нитью накала, газоразрядную камеру и тигель с рабочим веществом. Для создания необходимого давления паров рабочего вещества и устойчивого горения разряда газоразрядная камера и тигель нагреваются тепловым излучением от ленточного и цилиндрического нагревателей активного сопротивления. В качестве материала нагревателей используются нержавеющая сталь, тантал, молибден и графит.

Недостатком такого ионного источника, как и у калютрона, является невысокая температура, не превышающая в области нагрева 1000^oС, что ограничивает применение в качестве рабочего вещества многих химических элементов и соединений, имеющих более высокую рабочую температуру парообразования (никель, палладий и др.). Дальнейшее увеличение мощности, подводимой к нагревателям, дает незначительное увеличение температуры вследствие низкой эффективности нагрева, а также приводит к выходу нагревателей из строя по причине возникновения больших токов в их низкоомной цепи.

Наиболее близким по технической сути к заявленному техническому решению является источник ионов для промышленного разделения изотопов в электромагнитном сепараторе (Н. А. Кащеев, В.Ф. Тиунова и др., патент РФ 2063088), который содержит ионно-оптическую систему, газоразрядную камеру, тигель, нагреватель, основание с тепловыми экранами.

Недостатком данного устройства является то, что в процессе работы электроды ионно-оптической системы под воздействием высоких температур и высокого напряжения деформируются и распыляются, вследствие чего появляются утечки в высоковольтных электрических цепях источников ионов, что приводит к снижению производительности источников и их выходу из строя, кроме того, применение наружного теплового экрана из тантала необоснованно ввиду его высокой стоимости.

Технический результат изобретения-увеличение срока эксплуатации источника ионов и повышение его производительности, а также снижение затрат на его производство.

В предложенном источнике ионов указанный технический результат достигается тем, что между ионно-оптической системой и единым блоком, в который входят тигель и газоразрядная камера, передний тепловой защитный экран с отверстием для прохода ионов от газоразрядной камеры к электродам ионно-оптической системы, выполненный из графитовых накладок, а наружный тепловой экран выполняют из нержавеющей стали. Использование графитового теплового экрана позволяет обеспечить фиксированное расстояние в межэлектродном зазоре оптики, что увеличивает время работы источников за счет уменьшения боковой утечки в данном зазоре, а также исключает воздействие высоких температур и высокого напряжения на электроды ионно-оптической системы, вследствие чего они не деформируются. Как результат, увеличивается срок эксплуатации источников ионов и повышается их производительность. Выполнение наружного экрана из нержавеющей стали позволяет уменьшить себестоимость устройства без ухудшения характеристик работоспособности.

Проведенный анализ общедоступных источников информации об уровне техники не позволил выявить техническое решение, тождественное заявленному, на основании чего делается вывод о неизвестности последнего, т.е. о соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию "новизна".

Сопоставительный анализ заявленного решения с известными техническими решениями позволил выявить, что представленная совокупность отличительных признаков не известна для специалиста в данной области и не следует явным образом из известного уровня техники, на основании чего делается вывод о соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлен источник ионов, содержащий корпус 1, экран внутренний 2, экран средний 3, экран наружный 4, нагреватель 5 с помещенными в него тиглем 6 и газоразрядной камерой 7, передний тепловой экран 8, электроды ионно-оптической системы 9.

Рабочее вещество загружают в графитовый тигель 6 и совмещают его с графитовой газоразрядной камерой 7 соединением типа "ласточкин хвост". Этот блок помещают в рабочий объем графитового нагревателя 5. С целью уменьшения тепловых потерь на излучение установлены танталовые тепловые экраны 2 и 3, а также наружный стальной тепловой экран 4. С открытой стороны роль теплового экрана размещают графитовые накладки, закрепленные на корпусе 8 и имеющие отверстие для прохода ионов, защищающие электроды ионно-оптической системы 9. Ионный источник находится в вакууме при давлении 1•10^-3 Па в постоянном магнитном поле. При нагреве пары рабочего вещества из тигля 6 попадают в полость газоразрядной камеры 7, затем под действием электронов термокатод с нитью накала в парах рабочего вещества зажигается дуговой разряд, и образовавшиеся ионы извлекаются из газоразрядной камеры 7 и формируются в пучок электродами ионно-оптической системы 9.

Ионный источник был изготовлен и испытан при разделении изотопов палладия в электромагнитном сепараторе на установке СУ-20 комбината "Электрохимприбор". В тигель был загружен металлический порошковый палладий, не имеющий устойчивых низкотемпературных легколетучих соединений. При температуре 1600-1700^oС в газоразрядной камере было достигнуто давление паров палладия, необходимое для поддержания устойчивого дугового разряда и получения сфокусированного ионного пучка. Зафиксированы основные параметры, характеризующие режим работы ионного источника: напряжение в цепи нагревателя 26 В, ток в цепи нагревателя 115 А, напряжение разряда 150 В, ток разряда 1 А, ток ионного источника 37 мА, расход палладия 0,6 г/ч, время работы источника 35 ч. Результаты разделения изотопов палладия представлены в таблице.

В процессе работы источника ионов было выявлено, что применение теплозащитного графитового экрана позволило обеспечить фиксированное расстояние в межэлектродном зазоре оптики и увеличить время работы источника ионов, а также увеличить качество изотопной продукции. Применение наружного теплового экрана из нержавеющей стали позволило уменьшить себестоимость изделия.

Изготовление заявленного устройства возможно на стандартном оборудовании предприятия, а эксплуатация не потребует дополнительного обучения персонала.

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения изотопов. Техническим результатом является увеличение сроков службы источников ионов и повышение качества изотопной продукции. В источнике ионов, содержащем ионооптическую систему, термокатод, газоразрядную камеру, тигель с рабочим веществом, нагреватель, внутренние защитные тепловые экраны, наружный тепловой экран выполнен из стали, а передний тепловой экран - из графита. 1 з. п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Источник ионов для электромагнитного масс-сепаратора, содержащий ионно-оптическую систему, термокатод с нитью накала, газоразрядную камеру, тигель с рабочим веществом, нагреватель с тепловыми экранами, отличающийся тем, что наружный тепловой экран выполнен в виде полого прямоугольного параллелепипеда, охватывающего нагреватель с пяти сторон, а передний тепловой экран выполнен из графитовых накладок, закрепленных на корпусе источника. 2. Источник ионов по п. 1, отличающийся тем, что боковые стороны и основание наружного теплового экрана выполнены из нержавеющей стали.