СПОСОБ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2002 года по МПК B01D59/48 

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения изотопов и наиболее эффективно может быть использовано для промышленного разделения малораспространенных стабильных изотопов различных химических элементов.

Известен способ промышленного электромагнитного разделения изотопов химических элементов, схема применения которого выглядит следующим образом. Исходный элемент, изотопы которого необходимо получить, доводится в тигле источника до парообразного состояния и ионизируется в газоразрядной камере. Ионы вытягиваются из газоразрядной камеры электрическим полем и ускоряются. Далее, двигаясь по траекториям в магнитном поле разделительной камеры, однозарядные ионы разделяются в соответствии со своими массами и улавливаются коробками приемника (Золотарев B.C., Ильин А.И., Комар Е.Г. Разделение изотопов на электромагнитных установках в Советском Союзе// Труды второй международной конференции по мирному использованию атомной энергии. Женева. 1958. Доклады советских ученых. М, "Атомиздат", 1959, т.6. с. 87-101).

Одним из недостатков указанного способа является то, что он недостаточно эффективен для разделения малораспространенных изотопов различных химических элементов.

Из известных способов промышленного электромагнитного разделения изотопов наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в работе (Н. А. Кащеев, В.А. Дергачев. Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ. М., Энергоатомиздат, 1989 г.).

Способ разделения изотопов, описанный в указанном источнике информации, заключается в следующем. Пары рабочего вещества, образующиеся в тигле источника, поступают в газоразрядную камеру, где они ионизируются и вытягиваются ускоряющим напряжением в пространство разделительной камеры сепаратора, в которой создается постоянное магнитное поле. Под действием этого поля ускоренные ионные пучки изотопов, двигаясь в зависимости от массы изотопов по соответствующим траекториям, разделяются, фокусируются и улавливаются коробками приемника.

Недостаток известного способа электромагнитного разделения изотопов заключается в том, что технический результат неудовлетворительный ввиду недостаточно высокого обогащения, особенно малораспространенных изотопов. Это вызвано тем, что на приемник приходят ионные пучки всех стабильных изотопов химического элемента, интенсивность которых пропорциональна их природному содержанию. При этом фон более интенсивных пучков, попадая в коробки для малораспространенных изотопов, снижает их обогащение.

Технический результат изобретения - избирательное увеличение интенсивности приходящих в коробки приемника ионных пучков одних изотопов относительно интенсивности ионных пучков других изотопов, вызывающих наибольшее изотопное загрязнение.

Поставленная цель достигается за счет введения на пути ионных пучков изотопов между источником и приемником ионов перед фокальной плоскостью приемника передвижного экрана, представляющего собой цельную пластину или пластину с одним или несколькими отверстиями. Экран пропускает на приемник ионный пучок изотопа или нескольких изотопов, обогащение которых необходимо увеличить, и отсекает полностью или частично ионные пучки изотопов, вносящих наибольшее изотопное загрязнение, отклоняя их в объем вакуумной камеры в сторону от области приемника, где они конденсируются на охлаждаемых поверхностях камеры или откачиваются вакуумными насосами, таким образом изменяя масс-спектр ионных пучков, приходящих на приемник. С физической точки зрения это эквивалентно предварительному обогащению рабочего вещества по целевым изотопам. Положение экрана в разделительной камере контролируется по величине ионного тока на экране, на приемнике ионов, а также на настроечных электродах приемника.

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. соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию "новизна".

Сопоставительный анализ заявленного решения с известными техническими решениями позволил выявить, что представленная совокупность отличительных признаков неизвестна 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".

Для пояснения изобретения на чертеже представлен пример осуществления предлагаемого способа при разделении химического элемента, содержащего три изотопа.

В вакууммированной разделительной камере 1 электромагнитного сепаратора между источником ионов 2 и трехкоробочным приемником ионов 3 в ионные пучки изотопов 4, 5, 6 введен передвижной экран 7, который полностью пропускает ионные пучки 5 и 6. Ионный пучок 4 частично перекрывается экраном от приемника. Экран смонтирован на механизме передвижения 8, который установлен во внутреннем канале разделительной камеры (направление движения указано стрелками). Заштрихована область перекрываемой части ионных пучков.

Предложенный способ разделения изотопов с использованием экрана был испытан при разделении изотопов кальция на промышленном электромагнитном сепараторе СУ-20 комбината "Электрохимприбор", г. Лесной, Свердловской области.

Навеску металлического кальция размещали в тигле источника ионов. После установки источника, экрана и шестикоробочного приемника в разделительную камеру сепаратора производили откачку камеры вакуумными насосами до давления (1÷2)•10^-3 Па и высоковольтную тренировку источника до напряжения 31÷32 кВ.

После получения электронного пучка в газоразрядной камере источника подавали напряжения на нагреватели тигля и газоразрядной камеры, обеспечивающие испарение рабочего вещества, его ионизацию в газоразрядной камере и формирование с помощью ионно-оптической системы ионного пучка, состоящего из шести ионных пучков изотопов, которые под действием ускоряющего напряжения и постоянного магнитного поля 1800 Э в камере разделялись, фокусировались в фокальной плоскости и улавливались коробками приемника.

Целевыми изотопами являлись: Са-48. имеющий природное содержание 0,187%, и Са-46, имеющий природное содержание 0,004%, а основным загрязняющим изотопом - Са-40, природное содержание которого составляет 96,941%. Экран был выполнен в виде цельной пластины без отверстий и обеспечивал при полном прохождении ионных пучков целевых изотопов максимальное перекрывание ионного пучка загрязняющего изотопа. При этом ионный ток на приемнике примерно равнялся ионному току на экране.

После накопления приемники вынимали из разделительной камеры, методом анодного травления производили съем изотопов из коробок, полученный изотопнообогащенный раствор анализировали на обогащение и перерабатывали до конечного продукта.

В процессе экспериментального и опытно-промышленного разделения в общей сложности получено изотопа Са-48 - 2,5 г и изотопа Са-46 - 0,5 г. По сравнению с обычным способом удалось увеличить обогащение изотопа Са-48 с 85 до 90%, а изотопа Са-46 с 10 до 13%.

Таким образом, предложенный способ электромагнитного разделения изотопов с использованием экрана, вводимого в ионный пучок, по сравнению с существующими методами показал свою эффективность в получении технико-экономического результата. Использование на практике заявляемого технического решения позволяет уменьшить изотопное загрязнение отдельно выбранных изотопов.

Это дает возможность эффективно использовать указанный способ для увеличения обогащения малораспространенных изотопов, которые, в основном, являются целевыми в процессе электромагнитного разделения.

Реализация заявленного технического решения возможна на существующем оборудовании без дополнительного обучения персонала навыкам работы.

Изобретение может быть использовано при разделении малораспространенных стабильных изотопов химических элементов. В вакуумированной разделительной камере 1 электромагнитного сепаратора между источником ионов 2 и трехкоробочным приемником ионов 3 в ионные пучки изотопов 4,5,6 помещают передвижной экран 7. Экран 7 пропускает ионные пучки 5 и 6 и частично перекрывает ионный пучок 4. Экран 7 вводят перед фокальной плоскостью приемника ионов 3. Экран 7 установлен на механизме передвижения 8. Положение экрана 7 контролируют по величине ионного тока на самом экране 7, приемнике ионов 3 и на настроечных электродах приемника ионов 3. Обогащение изотопа ⁴⁸Са-90%, ⁴⁶Са-13. Способ позволяет уменьшить изотопное загрязнение. 1 ил.

Способ промышленного электромагнитного разделения изотопов химических элементов, включающий размещение рабочего вещества в тигле источника ионов, нагрев рабочего вещества до парообразного состояния, ионизацию паров рабочего вещества в газоразрядной камере источника под действием электронной эмиссии с термокатода, формирование ионного пучка электродами ионно-оптической системы, разделение и фокусирование ионного пучка изотопов в магнитном поле, улавливание ионов коробками приемника, отличающийся тем, что на пути ионных пучков изотопов между источником и приемником ионов в разделительной камере перед фокальной плоскостью приемника вводят передвижной экран, положение которого контролируют по величине ионного тока на экране, приемнике ионов, а также на настроечных электродах приемника.