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 поле заряженные частицы.

Известно устройство для разделения заряженных частиц в плазме, которое для уменьшения размеров магнитной системы и повышения эффективности нагрева плазмы методом ионного циклотронного резонанса содержит вакуумную камеру, источник заряженных частиц, выполненный в виде источника плазмы кольцеобразной формы, сепаратор заряженных частиц в виде соленоида с магнитной системой однородного и неоднородного полей, высокочастотную антенну и приемник заряженных частиц в виде коллекторного блока (см. патент РФ на изобретение 2089272, 6 В 01 D 59/44, Н 01 J 49/26).

Недостатком известного устройства является низкая селективность разделения заряженных частиц по массам и высокое энергопотребление вследствие использования энергоемкого соленоида в качестве источника магнитного поля.

Также известно устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде последовательно расположенных изогнутого электрического конденсатора и магнитного анализатора, и приемники заряженных частиц. Разделение заряженных частиц по массам производится сепаратором заряженных частиц. Вектор суммарной силы F, действующей на заряженную частицу с электрическим зарядом q, движущуюся в электромагнитном поле со скоростью v, определяется выражением
F=q•E+q•v•B, (1)
где q - заряд частицы,
Е - вектор напряженности электрического поля,
v - вектор скорости заряженной частицы,
В - вектор индукции магнитного поля.

При полете заряженной частицы между пластинами изогнутого электрического конденсатора ее траектория определяется из условия равенства действующих на частицу электрической составляющей силы F_E Лоренца
F_E=q•E (2)
и центробежной силы F_R

где m - масса заряженной частицы,
v - скорость заряженной частицы,
R_E - радиус круговой орбиты заряженной частицы.

Заряженная частица в электрическом поле между пластинами изогнутого конденсатора движется по круговой орбите, имеющей радиус R_E

При прохождении в электрическом поле изогнутого конденсатора заряженные частицы пространственно разделяются по кинетическим энергиям. Формула 3 позволяет также определить радиус R_E кривизны изогнутого конденсатора. Последующее движение заряженных частиц в постоянном магнитном поле перпендикулярно силовым линиям поля в условиях равенства действующих на заряженную частицу центробежной силы и магнитной составляющей силы Лоренца осуществляется по круговой траектории, имеющей радиус R_B

где В - магнитная индукция поля.

Движение заряженных частиц в постоянном магнитном поле приводит к дополнительному разделению заряженных частиц по импульсам. Использование электростатической и магнитной систем отбора заряженных частиц позволяет из исходного пучка заряженных частиц выделить те пучки, в которых заряженные частицы имеют одинаковое отношение массы m к заряду q. При одинаковом электрическом заряде q заряженные частицы с разницей в массе движутся по разным траекториям и попадают в предназначенные для них приемники заряженных частиц (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.117-121).

Недостатками этого устройства являются необходимость предварительного разделения заряженных частиц в электрическом поле изогнутого конденсатора и низкая селективность разделения заряженных частиц по массам из-за незначительного расщепления заряженных частиц в однородном и неоднородном непрерывных магнитных полях.

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 электропроводящих труб. В устройстве для разделения заряженных частиц по массам, содержащем вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц и расположенных один в другом в порядке возрастания радиусов изгиба в направлении от области общего внутреннего касания изогнутых элементов, и приемник заряженных частиц. В изогнутых элементах сепаратора, представляющих собою трубы, выполнены продольные щелевые прорези, которые расположены со стороны наименьшего радиуса изгиба каждого изогнутого элемента в плоскости симметрии элементов. Источник заряженных частиц установлен вблизи места общего внутреннего касания изогнутых элементов. Изогнутые элементы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов (см. патент РФ на изобретение 2133141, 6 В 01 D 59/48, Н 01 J 49/30).

Недостатками описанного устройства является невысокая селективность разделения заряженных частиц по массам, поскольку расщепление пучков по массам заряженных частиц ограничивается размерами труб сепаратора, и высокое энергопотребление вследствие использования энергоемких токопроводящих труб в качестве источника магнитного поля.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для разделения заряженных частиц по массам, содержащем вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц с изогнутыми по дугам круговых орбит заряженных частиц и расположенными в порядке возрастания радиусов изгиба в направлении от области общего внутреннего касания элементами, и приемник заряженных частиц, при этом в изогнутых элементах выполнены продольные щелевые прорези, которые расположены в плоскости симметрии элементов, а источник заряженных частиц установлен вблизи места общего внутреннего касания изогнутых элементов, элементы сепаратора выполнены в виде установленных друг за другом пластин постоянного магнита с возможностью протекания по ним постоянных по направлению расходящихся магнитных токов.

Техническим результатом является повышение селективности разделения заряженных частиц и значительное снижение энергетических затрат на разделение заряженных частиц по массам.

Повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам обеспечивается вследствие увеличения расщепления пучков изотопных ионов, поскольку оно не ограничивается размерами применявшихся прежде труб.

Сокращение энергетических затрат на разделение заряженных частиц происходит из-за использования в сепараторе пластин постоянного магнита, что исключает необходимость индукции магнитного поля с помощью энергоемких токопроводящих труб.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц по массам, на фиг.2 изображен вид сбоку сепаратора заряженных частиц со стороны размещения приемников заряженных частиц, на фиг.3 изображен вид снизу сепаратора заряженных частиц со стороны размещения источника 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 вытягивающих электродов 4, изоляторы 5, сепаратор 6 заряженных частиц, выполненный в виде изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц и расположенных друг за другом в порядке возрастания радиусов изгиба в направлении от области общего внутреннего касания элементов, представляющих собой пластины 7 и 8 постоянного магнита, и приемники 9 и 10 заряженных частиц. При этом в пластинах 7 и 8 выполнены продольные щелевые прорези 11 и 12, которые расположены в плоскости симметрии элементов 7 и 8, а источник 2 заряженных частиц установлен вблизи места общего внутреннего касания изогнутых элементов 7 и 8. Пластины 7 и 8 постоянного магнита выполнены с возможностью протекания по ним магнитных токов. Приемники 9 и 10 заряженных частиц изготовлены в виде карманов, каждый из которых предназначен для сбора заряженных частиц одной массы, и электрически отделены от вакуумной камеры изоляторами 5.

Сепаратор заряженных частиц, изготовленный в виде системы расходящихся пластин 7, 8 постоянного магнита, формирующих статическое магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами для разделения моноэнергетических заряженных частиц по массам, одновременно является источником магнитного поля. Магнитными барьерами являются повышенные значения магнитной индукции в протяженных областях пространства в прорезях 11 и 12 пластин 7 и 8 постоянного магнита. Сепаратор 6 заряженных частиц содержит пластину 7 постоянного магнита и пластину 8 постоянного магнита. Пластины 7 и 8 постоянного магнита имеют различные радиусы изгиба и расположены друг за другом с общим внутренним касанием, т. е. один конец пластины 7 постоянного магнита совмещен с одним концом пластины 8 постоянного магнита. Каждая из пластин 7, 8 постоянного магнита расположена симметрично относительно плоскости симметрии сепаратора 6. Каждая из пластин 7, 8 постоянного магнита загнута по дуге окружности, радиус которой соответствует радиусу круговой орбиты заряженных частиц. В каждой пластине 7, 8 постоянного магнита выполнена своя продольная щелевая прорезь 11 или 12 соответственно, при этом оси щелевых прорезей 11 и 12 лежат в плоскости симметрии каждой пластины 7 и 8. Данное последовательное расположение изогнутых пластин 7 и 8 постоянного магнита обеспечивает разделение моноэнергетических заряженных частиц в зависимости от их массы. Источник заряженных частиц 2 размещен вблизи места касания изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц пластин 7, 8 постоянного магнита сепаратора 6 заряженных частиц.

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 вытягиваются электрическим полем между электродами 4 источника 2 заряженных частиц и затем поступают в сепаратор 6.

Смесь заряженных частиц подается из источника 2 заряженных частиц в сепаратор 6 заряженных частиц, в плоскости симметрии сепаратора 6, в пространство, находящееся между вакуумной камерой 1 и местом касания пластин 7, 8 постоянного магнита сепаратора 6 заряженных частиц. Разделение заряженных частиц в сепараторе происходит на расходящихся магнитных барьерах. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка в месте соединения пластин 7, 8 постоянного магнита создан магнитными токами по близко расположенным пластинам 7, 8 постоянного магнита, и поэтому магнитный барьер легко держит разделяемые заряженные частицы на единой мгновенной круговой орбите. По мере движения заряженные частицы попадают в область расхождения пластин 7, 8 постоянного магнита, в магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами и меньшими значениями магнитной индукции. Здесь, в щелевой прорези 11 пластины 7 постоянного магнита, магнитным током по пластине 7 постоянного магнита, имеющей меньший радиус изгиба, 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. Пучок тяжелых заряженных частиц в этом случае идет по орбите, имеющей больший радиус. Удержание пучка тяжелых заряженных частиц на орбите, имеющей больший радиус, производится другим магнитным барьером, т.е. достаточным значением магнитной индукции в прорези 12 пластины 8 постоянного магнита. Магнитный барьер в щелевой прорези 12 пластины 8 создан магнитным током, протекающим по пластине 8 постоянного магнита. Понижение магнитного барьера вдоль щелевой прорези 12 пластины 8, имеющей больший радиус изгиба, приводит к переходу пучка заряженных частиц с орбиты, имеющей больший радиус, на прямолинейную траекторию. Важнейшей особенностью сепаратора 6 заряженных частиц является способность закрутить по круговой орбите только легкие заряженные частицы, предоставив возможность тяжелым заряженным частицам следовать по первоначальной прямолинейной траектории. Другой важной особенностью сепаратора 6 заряженных частиц является возможность разделять заряженные частицы без затрат энергии на создание магнитного поля.

После сепаратора 6 разделенные заряженные частицы попадают в приемники 9, 10 заряженных частиц и накапливаются в них. В каждом из приемников 9, 10 заряженных частиц осуществляется сбор заряженных частиц одной массы.

Производительность устройства для разделения заряженных частиц по массам определяется током извлекаемых из источника ионов, растет при увеличении напряженности вытягивающего поля в устройстве, ширины и длины отверстия для экстракции ионов из источника.

Предлагаемое изобретение, по сравнению с известными техническими решениями в этой области, повышает селективность при разделении заряженных частиц по массам, так как расщепление пучков изотопных ионов не ограничивается расхождением применявшихся в прототипе труб и их размерами. Предлагаемое изобретение значительно сокращает энергетические затраты на разделение заряженных частиц из-за использования в сепараторе постоянного магнита, что исключает необходимость индукции магнитного поля с помощью энергоемких токопроводящих труб.

Кроме того, при использовании предлагаемого изобретения уменьшаются затраты природных ресурсов и материалов на изготовление устройств для разделения заряженных частиц и экономические затраты на заработную плату, амортизацию оборудования и его эксплуатацию, так как заявляемое устройство для разделения заряженных частиц по массам не требует применения энергоемких электромагнитов.

Изобретение предназначено для ядерной техники и может быть использовано при выделении изотопов из их естественной смеси. Смесь заряженных частиц подают из источника 2 в сепаратор 6, расположенный в вакуумной камере 1. Сепаратор 6 состоит из пластин 7 и 8 постоянного магнита, выполненных с касанием вблизи источника 2. Пластины 7 и 8 выполнены изогнутыми по дугам круговых орбит заряженных частиц и снабжены щелевыми прорезями 11 и 12. В месте касания пластин 7 и 8 создают магнитный барьер, удерживающий частицы на единой мгновенной круговой орбите. При попадании заряженных частиц в область расхождения пластин 7 и 8 магнитные барьеры расходятся. В щелевой прорези 11 пластины 7 пучок легких частиц остается на орбите с меньшим радиусом, а пучок тяжелых заряженных частиц движется по орбите с большим радиусом. Удержание пучка тяжелых заряженных частиц на этой орбите производят при помощи магнитного барьера, создаваемого щелевой прорезью 12 пластины 8. В приемниках 9 и 10 производят сбор заряженных частиц только одной массы. Изобретение позволяет разделять заряженные частицы без затрат энергии на создание магнитного поля. Устройство экономично, просто в эксплуатации. 3 ил.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц с изогнутыми по дугам круговых орбит заряженных частиц и расположенными в порядке возрастания радиусов изгиба в направлении от области общего внутреннего касания элементами, и приемник заряженных частиц, при этом в изогнутых элементах выполнены продольные щелевые прорези, которые расположены в плоскости симметрии элементов, а источник заряженных частиц установлен вблизи места общего внутреннего касания изогнутых элементов, отличающееся тем, что элементы сепаратора выполнены в виде установленных друг за другом пластин постоянного магнита с возможностью протекания по ним постоянных по направлению расходящихся магнитных токов.