УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО ЭНЕРГИЯМ Российский патент 2002 года по МПК H01J49/44 B01D59/46 G21K1/87 

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования при разделении заряженных частиц, например, на стадии разделения изотопов по энергиям при электромагнитном выделении изотопов из их естественной смеси в широком диапазоне множественности химических элементов.

Известно несколько устройств для разделения заряженных частиц по энергиям. Известные устройства для разделения заряженных частиц по энергиям разработаны в процессе поиска путей разделения изотопов, реализации управляемого ядерного и термоядерного синтеза, формирования пучков заряженных частиц в ионно-пучковых и электронно-пучковых устройствах и управления пучками заряженных частиц в ускорительной технике.

Известно устройство для разделения заряженных частиц по энергиям, содержащее вакуумную камеру, в которой установлены источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, образованный парой пластинчатых элементов, являющейся конденсатором, изогнутых в поперечном сечении по окружным образующим концентричных полых цилиндров и изогнутых в продольном сечении по усредненной дуге круговых орбит заряженных частиц [см. , например, А.В. Блинов. Ускорительная масс-спектрометрия космогенных нуклидов / Соросовский общеобразовательный журнал, 1999 г., 8, с. 71-75].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для разделения заряженных частиц по энергиям, в котором для разделения движущихся в непрерывном электрическом поле заряженных частиц использованы центробежная сила и электрическая составляющая силы Лоренца. Устройство содержит вакуумную камеру, в которой установлены источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, образованный парой пластинчатых элементов, являющейся цилиндрическим конденсатором, изогнутых в поперечном сечении по окружным образующим концентричных полых цилиндров и изогнутых в продольном сечении по дугам круговых орбит заряженных частиц. Пластинчатыми элементами являются концентричные полые цилиндры, изогнутые в продольном сечении по дугам круговых орбит заряженных частиц. Подведенными к пластинчатым элементам электрическими потенциалами индуцируются электрические заряды на пластинчатых элементах и формируется между пластинчатыми элементами непрерывное электрическое поле для разделения равнозаряженных частиц по энергиям. Из источника разделяемые заряженные частицы подаются в промежуток между торцами пластинчатых элементов и проводятся по электрическому полю между пластинчатыми элементами. Электрическая сила F, действующая на заряженную частицу с электрическим зарядом q, движущуюся со скоростью v в непрерывном электрическом поле напряженностью Е, определяется по формуле

Разделяемые заряженные частицы двигаются в непрерывном электрическом поле между пластинчатыми элементами по окружным орбитам, радиусы которых вычисляются из балансов действующих сил. Траектории заряженных частиц пролегают между пластинчатыми элементами. Радиус R₁ орбиты высокоэнергетической заряженной частицы определяется по формуле:

где m₁ - масса высокоэнергетической заряженной частицы;
E₁ - напряженность электрического поля в месте нахождения высокоэнергетической заряженной частицы при полете.

Радиус R₂ орбиты низкоэнергетической заряженной частицы определяется по формуле:

где m₂ - масса низкоэнергетической заряженной частицы;
E₂ - напряженность электрического поля в месте нахождения низкоэнергетической заряженной частицы при полете.

При прохождении высокоэнергетической заряженной частицей непрерывного электрического поля между пластинчатыми элементами круговая траектория высокоэнергетической заряженной частицы имеет радиус R₁. При прохождении низкоэнергетической заряженной частицей непрерывного электрического поля между пластинчатыми элементами круговая траектория низкоэнергетической заряженной частицы имеет радиус R₂. В итоге расстояние между пластинчатыми элементами должно быть таким, чтобы обе дуговые траектории укладывались в пределах непрерывного электрического поля. Разделенные в непрерывном электрическом поле между пластинчатыми элементами частицы выводятся из пары пластинчатых элементов в противоположном торце пары [см. В.Т. Коган, А.К. Павлов, М.И. Савченко, О.Е. Добычин. Портативный масс-спектрометр для экспресс-анализа растворенных в воде веществ // Приборы и техника эксперимента, 1999, 4, с. 145-149].

Основным общим недостатком описанных устройств для разделения заряженных частиц по энергиям является низкая селективность при разделении вследствие ограниченных возможностей расщепления пучков заряженных частиц в электрическом поле между пластинчатыми элементами, т.е. использование этих устройств не позволяет выполнять следующие операции по управлению траекториями заряженных частиц:
1. Закручивать по круговой орбите только пучок низкоэнергетических заряженных частиц, причем закручивать по такой круговой орбите, когда радиус орбиты низкоэнергетических заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути легких заряженных частиц в электрическом поле, а положением электрического поля в пространстве, при достаточной величине напряженности электрического поля. Высокоэнергетические заряженные частицы при этом продолжают полет в исходном направлении, т.е. практически по прямолинейной траектории.

2. Закручивать пучки низкоэнергетических и высокоэнергетических заряженных частиц по такой единой круговой орбите, когда радиус единой орбиты смеси заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути заряженных частиц, а положением участков электрического поля в пространстве при достаточной величине напряженности электрического поля.

3. Отпускать пучок высокоэнергетических заряженных частиц с круговой орбиты, общей с орбитой низкоэнергетических заряженных частиц, на первоначально направленную прямолинейную траекторию, оставляя пучок низкоэнергетических заряженных частиц на прежней круговой орбите.

4. Отпускать оба пучка заряженных частиц в любой точке орбиты с единой круговой орбиты на единую прямолинейную траекторию.

5. Отпускать оба пучка заряженных частиц с единой круговой орбиты на различные прямолинейные траектории.

6. Осуществлять максимальное расщепление пучков заряженных частиц на минимальной длине зоны разделения пучков.

Общим недостатком описанных устройств для разделения заряженных частиц по энергиям также является большая протяженность зоны разделения заряженных частиц, получающаяся из-за медленного расщепления пучков заряженных частиц, ограниченного расстоянием между пластинчатыми элементами и невозможностью отпустить с круговой орбиты высокоэнергетические заряженные частицы на прямолинейную траекторию за пределы пространства между пластинчатыми элементами, и приводящая в конечном счeте к необходимости изготавливать крупногабаритные устройства для разделения заряженных частиц по энергиям.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для разделения заряженных частиц по энергиям, содержащее вакуумную камеру, в которой установлены источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, образованный парой пластинчатых элементов, являющейся конденсатором, изогнутых в поперечном сечении по окружным образующим концентричных полых цилиндров и изогнутых в продольном сечении по дугам круговых орбит заряженных частиц, снабжено дополнительной парой пластинчатых элементов, являющейся конденсатором, при этом обе пары пластинчатых элементов, изогнутых в поперечном сечении по участкам окружных образующих концентричных полых цилиндров и в продольном сечении по дугам круговых орбит низкоэнергетических заряженных частиц, расположены пересекающимися так, что их электрические поля размещены в пересекающихся направлениях с образованием единого электрического поля, представляющего для заряженных частиц электрический барьер
Техническим результатом является повышение селективности при разделении заряженных частиц по энергиям и снижение материалоемкости устройства вследствие уменьшения длины зоны разделения заряженных частиц, приводящего к соответствующему уменьшению размеров устройства для разделения заряженных частиц по энергиям.

Повышение селективности при разделении заряженных частиц обеспечивается вследствие увеличения возможностей расщепления пучков заряженных частиц по энергиям, так как разделение заряженных частиц с помощью предлагаемого устройства позволяет для сепарации заряженных частиц по энергиям проводить многие ранее не возможные операции по управлению траекториями заряженных частиц во время полета частиц в электрическом поле, а именно:
1. Закручивать по круговой орбите только пучок низкоэнергетических заряженных частиц, причем закручивать по такой круговой орбите, когда радиус орбиты низкоэнергетических заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути легких заряженных частиц в электрическом поле, а положением электрического барьера в пространстве, при достаточной величине электрического барьера. Высокоэнергетические заряженные частицы при этом продолжают полет в исходном направлении, т.е. практически по прямолинейной траектории.

2. Закручивать пучки низкоэнергетических и высокоэнергетических заряженных частиц по такой единой круговой орбите, когда радиус единой орбиты смеси заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути заряженных частиц, а положением электрического барьера в пространстве при достаточной величине электрического барьера.

3. Отпускать пучок высокоэнергетических заряженных частиц с круговой орбиты, общей с орбитой низкоэнергетических заряженных частиц, на первоначально направленную прямолинейную траекторию, оставляя пучок низкоэнергетических заряженных частиц на прежней круговой орбите.

4. Отпускать оба пучка заряженных частиц в любой точке орбиты с единой круговой орбиты на единую прямолинейную траекторию.

5. Отпускать оба пучка заряженных частиц с единой круговой орбиты на различные прямолинейные траектории.

6. Осуществлять максимальное расщепление пучков заряженных частиц на минимальной длине зоны разделения пучков.

Уменьшение длины зоны разделения заряженных частиц достигается вследствие того, что предлагаемое устройство позволяет производить максимальное расщепление пучков заряженных частиц на минимальной длине.

Устройство для разделения заряженных частиц по энергиям поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц по энергиям; на фиг.2 показана схема изготовления пластинчатых элементов сепаратора заряженных частиц по энергиям; на фиг.3 - схема взаимного размещения пластинчатых элементов сепаратора заряженных частиц.

Устройство для разделения заряженных частиц по энергиям содержит вакуумную камеру 1, в которой установлены источник 2 заряженных частиц, приемники 3, 4 заряженных частиц и сепаратор 5 заряженных частиц. Сепаратор 5 заряженных частиц образован двумя парами пластинчатых элементов 6, 7 и 8, 9, причем каждая пара является конденсатором. Обе пары пластинчатых элементов 6, 7 и 8, 9, изогнутых в поперечном сечении по участкам окружных образующих концентричных полых цилиндров и в продольном сечении по дугам круговых орбит низкоэнергетических заряженных частиц, расположены пересекающимися так, что их электрические поля размещены в пересекающихся направлениях с образованием единого электрического поля, представляющего для заряженных частиц электрический барьер. Источник 2 заряженных частиц состоит из ионизационной камеры 10 и формирующих вытягивающее электрическое поле электродов 11. Источник 2 заряженных частиц, сепаратор 5 заряженных частиц и приемники 3, 4 заряженных частиц от вакуумной камеры 1 электрически разъединены изоляторами 12. Пластинчатые элементы 6, 7, 8, 9 вырезаны из коаксиальных изогнутых в продольном сечении тонкостенных труб, внутренняя из которых в продольном сечении изогнута по дуге круговой орбиты низкоэнергетических заряженных частиц. Пластинчатые элементы 6, 8 изготовлены симметричными путем вырезания из тонкостенной трубы, имеющей меньший диаметр. Пластинчатые элементы 7, 9 изготовлены симметричными путем вырезания из тонкостенной трубы, имеющей больший диаметр. Пучок 13 разделяемых заряженных частиц расположен между пластинчатыми элементами 6, 8. Электрическим барьером для разделяемых заряженных частиц является электрическое поле в протяженных областях пространства между пластинчатыми элементами 6, 7, 8, 9 со стороны щелевого промежутка между пластинчатыми элементами 6, 8. Последовательное по ходу заряженных частиц расположение щелевого промежутка между пластинчатыми элементами 6, 8, расположение электрического барьера, полученного наложением пересекающихся электрических полей, и щелевого промежутка между пластинчатыми элементами 7, 9 обеспечивает разделение заряженных частиц по энергиям. Приемники 3 и 4 заряженных частиц выполнены в виде карманов.

В предлагаемом устройстве для разделения заряженных частиц по энергиям для замены непрерывного электрического поля на электрический барьер, то есть на локальное протяженное изогнутое по траектории низкоэнергетических заряженных частиц электрическое поле и для вывода высокоэнергетических частиц на траекторию вне промежутка между пластинчатыми элементами 6, 7, 8, 9, вместо пары пластинчатых элементов использованы две пары 6, 7 и 8, 9 пластинчатых элементов 6, 7, 8, 9, что позволило совместить электрические поля двух пар 7, 6 и 9, 8 пластинчатых элементов 6, 7, 8, 9 в пересекающихся направлениях и этим самым создать форму электрического барьера, удовлетворяющую условию исхода высокоэнергетических частиц с прежней круговой траектории, совместной с траекторией низкоэнергетических заряженных частиц, на другую круговую или прямолинейную траекторию.

Устройство для разделения заряженных частиц по энергиям работает следующим образом. В ионизационной камере 10 источника 2 заряженных частиц производится ионизация молекул разделяемых частиц, после чего заряженные частицы вытягиваются электрическим полем между электродами 11 и затем направляются к сепаратору 5 заряженных частиц, состоящему из пластинчатых элементов 6, 7 и 8. 9. При разделении положительно заряженных частиц по энергиям к пластинчатым элементам 7, 9 подведены положительные электрические потенциалы, а к пластинчатым элементам 6, 8 подведены отрицательные электрические потенциалы. В электрическом поле между пластинчатыми элементами 7, 6 или в электрическом поле между пластинчатыми элементами 9, 8 заряженная частица должна была двигаться по окружности, радиус которой вычислялся бы из баланса действующих сил. Но пересекающееся наложение электрических поля между пластинчатыми элементами 7, 6 и поля между пластинчатыми элементами 9, 8, отрицательный потенциал на пластинчатых элементах 6, 8 и положительный потенциал на пластинчатых элементах 7, 9 сформировали между пластинчатыми элементами 6, 7, 8, 9 электрическое поле, являющееся электрическим барьером, предназначенным для разделения положительно заряженных частиц по энергиям. Для доступа к электрическому барьеру служит продольный щелевой промежуток между пластинчатыми элементами 6, 8. Повышенная результирующая напряженность электрического поля между пластинчатыми элементами 6, 7, 8, 9, по сравнению с расчетной для непрерывного электрического поля напряженностью, создала физические условия, при которых заряженная частица, не углубляясь в область сильного электрического поля, идет вдоль изогнутого электрического барьера. Эквипотенциальные поверхности электрического поля в локальной протяженной области электрического барьера имеют форму желоба, расположенного между пластинчатыми элементами 6 и 8. При наличии такого электрического барьера разделяемые заряженные частицы перед разделением направлены уже не в промежуток между торцами пластинчатых элементов, как в устройстве-прототипе, а за счет соответствующего размещения пластинчатых элементов 6, 7, 8, 9 направлены касательно к вогнутой стороне пластинчатых элементов 6, 8. При подходе к электрическому барьеру, образованному суперпозицией в пересекающихся направлениях электрического поля между пластинчатыми элементами 7, 6 и электрического поля между пластинчатыми элементами 9, 8, постепенно меняется направление движения частиц из-за увеличения напряженности электрического поля, и в дальнейшем частицы летят по дуговой траектории вдоль вогнутой стороны электрического барьера. Вогнутая сторона электрического барьера расположена вдоль продольного щелевого промежутка между пластинчатыми элементами 6,8. При напряженности электрического поля, удовлетворяющей условию

где R_e - радиус изгиба электрического барьера, заряженная частица перемещается вдоль электрического барьера. Радиус орбиты всех разделяемых заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути заряженных частиц, а положением электрического барьера в пространстве, при достаточной величине электрического барьера. Посредством размещенных на пластинчатых элементах 6, 8 отрицательных электрических зарядов и размещенных на пластинчатых элементах 7, 9 положительных электрических зарядов для целей разделения заряженных частиц по энергиям сформирован электрический барьер такой высоты, и электрическую напряженность поддерживается на таком уровне, когда пучок низкоэнергетических заряженных частиц остается на орбите, имеющей малый радиус, а пучок высокоэнергетических заряженных частиц сходит с орбиты, имеющей малый радиус. При строго выдержанной форме электрического барьера и при выполнении неравенства

низкоэнергетические заряженные частицы остаются на круговой орбите, а высокоэнергетические частицы сходят с круговой орбиты и следуют по исходной прямолинейной траектории. Физическое условие полета низкоэнергетических заряженных частиц по прежней круговой траектории состоит в соблюдении неравенства (6):

где Е_R - зависящая от радиуса изгиба электрического барьера, определяющего радиус траектории низкоэнергетических заряженных частиц, и соответствующая форме поперечного сечения электрического барьера напряженность электрического поля. Радиус Е_R орбиты низкоэнергетических заряженных частиц определяется не величиной напряженности поперечного электрического поля на пути легких заряженных частиц в электрическом поле, а положением электрического барьера в пространстве, при достаточной величине электрического барьера. Физическое условие исхода высокоэнергетических частиц с круговой траектории вдоль электрического барьера состоит в соблюдении неравенства (7):

Для беспрепятственного выхода высокоэнергетических заряженных частиц из сепаратора 5 оставлен продольный щелевой промежуток между пластинчатыми элементами 7, 9.

Важнейшей особенностью устройства для разделения заряженных частиц по энергиям электрическим барьером является возможность закрутить по круговой орбите только низкоэнергетические заряженные частицы, практически не изменяя прямолинейную траекторию высокоэнергетических заряженных частиц. Расщепление V пучков заряженных частиц в этом случае максимально и равно:
V = R₁-R₁cosα₁ (8)
где α₁- угол поворота низкоэнергетической заряженной частицы по круговой орбите радиуса R₁. Подразумевается, что угол α₁<π/2.
Протяженность L зоны разделения заряженных частиц по энергиям в этом случае становится минимальной и определяется по формуле:
L = R₁α₁, (9)
где угол α₁ измеряется в радианах.

Применение предлагаемого устройства для разделения заряженных частиц обеспечивает следующие преимущества:
1. Создание основы новых исходных данных для теоретических и экспериментальных прикладных задач во многих областях ядерной физики, электроники и ионной техники.

2. Выполнение параллельного решения экологических проблем по части рационального использования природных ресурсов и проблем разделения веществ в электрических и электромагнитных полях.

3. Решение физической проблемы избирательного захвата электрическим полем моноэнергетических заряженных частиц из пучка смеси равнозаряженных частиц.

4. Осуществление экологически безопасного разделения веществ на основе технологии формирования электрического силового барьера.

Экологические проблемы с применением устройства решаются следующим образом:
1. Уменьшаются габариты устройств для разделения заряженных частиц, что позволяет размещать производство на наименьших площадях.

2. Уменьшение размеров устройств приводит к уменьшению количества материалов, затрачиваемых на изготовление устройств для разделения веществ, т.е. приводит к рациональному использованию природных ресурсов.

Использование: ядерная техника. Сущность изобретения: в вакуумной камере установлены источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц. Сепаратор заряженных частиц образован двумя парами пластинчатых элементов, причем каждая пара является конденсатором. Обе пары пластинчатых элементов, изогнутых в поперечном сечении по участкам окружных образующих концентричных полых цилиндров и в продольном сечении по дугам круговых орбит низкоэнергетических заряженных частиц, расположены пересекающимися так, что их электрические поля размещены в пересекающихся направлениях с образованием единого электрического поля, представляющего для заряженных частиц электрический барьер. Источник заряженных частиц состоит из ионизационной камеры и формирующих вытягивающее поле электродов. Пластинчатые элементы вырезаны из коаксиальных изогнутых в продольном сечении тонкостенных труб, внутренняя из которых в продольном сечении изогнута по дуге круговой орбиты низкоэнергетических заряженных частиц. Технический результат: повышение селективности при разделении заряженных частиц по энергиям и снижение материалоемкости устройства, 3 ил.

Устройство для разделения заряженных частиц по энергиям, содержащее вакуумную камеру, в которой установлены источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, образованный парой пластинчатых элементов, являющейся конденсатором, изогнутых в поперечном сечении по окружным образующим концентричных полых цилиндров и изогнутых в продольном сечении по дугам круговых орбит заряженных частиц, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной парой пластинчатых элементов, являющейся конденсатором, при этом обе пары пластинчатых элементов, изогнутых в поперечном сечении по участкам окружных образующих концентричных полых цилиндров и в продольном сечении по дугам круговых орбит низкоэнергетических заряженных частиц, расположены пересекающимися так, что их электрические поля размещены в пересекающихся направлениях с образованием единого электрического поля, представляющего для заряженных частиц электрический барьер.