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, а также может быть использовано для выделения изотопов из их естественной смеси.

Для разделения заряженных частиц по массам используют центробежную силу и силу Лоренца, действующую на движущиеся в электрическом и магнитном поле заряженные частицы. Известно несколько устройств для разделения заряженных частиц по массам электромагнитным методом.

Известно устройство, ускоритель прямого действия, в котором одновременно с ускорением ионов различного типа осуществляется их селекция [И.А. Кащеев, В. А. Дергачев. Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ. М.: Энергоатомиздат, 1989] . Устройство содержит вакуумную камеру, в которой помещены источник ионов, электроды, источник магнитного поля в виде катушки и приемник заряженных частиц. Электроды формируют электростатическое поле с продольной и радиальной составляющими вектора напряженности. Катушка формирует статическое магнитное поле, пространственно совмещенное с электрическим полем.

Недостатком такого устройства является низкая селективность разделения заряженных частиц по массам из-за ограниченной возможности управления пучками заряженных частиц и высокое энергопотребление.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для разделения заряженных частиц по массам, в котором сепарация частиц осуществляется в магнитном поле раструба, изогнутого по дугам круговых орбит заряженных частиц и снабженного продольными щелевыми прорезями, не менее одной. Устройство для разделения заряженных частиц по массам содержит вакуумную камеру, в которой установлены кольцевой источник заряженных частиц, раструб для сепарации заряженных частиц и аксиальный с источником заряженных частиц и раструбом для сепарации заряженных частиц кольцевой приемник заряженных частиц. Источник заряженных частиц установлен вокруг широкой части раструба вдоль щелевых прорезей, не менее одной. Приемник заряженных частиц выполнен из элементов, один из которых размещен вблизи узкой части раструба вдоль щелевых прорезей, не менее одной, а другой - внутри широкой части этого раструба (см. патент Российской Федерации 2142328, МПК 6 В 01 D 59/48, Н 05 Н 5/00).

Недостатками описанного устройства являются: во-первых, низкая селективность при разделении заряженных частиц по массам вследствие отсутствия четкой границы магнитного барьера; во-вторых, большие потери разделяемого вещества, т.к. отсутствует четкая граница магнитного барьера; в-третьих, высокое энергопотребление вследствие использования энергоемкого сепаратора заряженных частиц с электрическим током для индукции магнитного поля вдоль раструба.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения селективности при разделении заряженных частиц по массам, сокращения потерь разделяемого вещества и снижения энергопотребления.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для разделения заряженных частиц по массам, содержащем вакуумную камеру, в которой установлены раструб для сепарации заряженных частиц, изогнутый по дугам круговых орбит заряженных частиц и снабженный продольной щелевой прорезью, источник заряженных частиц, установленный вдоль продольной щелевой прорези раструба, и приемник заряженных частиц, выполненный из элементов, один из которых помещен вблизи узкой части раструба вдоль щелевой прорези, а другой помещен внутри широкой части этого раструба, раструб выполнен из статического магнита, полюса которого отделены друг от друга продольной щелевой прорезью, а источник заряженных частиц, обращенный к продольной щелевой прорези, помещен на участке широкой части раструба.

Повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам обеспечивается вследствие наличия четких границ магнитного барьера и границ магнитного поля при использовании статического магнита вместо электромагнита.

Сокращение потерь разделяемого вещества достигается наличием четких границ магнитного барьера и границ магнитного поля при использовании статического магнита вместо электромагнита и, следовательно, разделением менее рассеянных узких пучков изотопных ионов.

Снижение энергопотребления обеспечивается вследствие того что предлагаемый в устройстве раструб для сепарации заряженных частиц, выполненный из статического магнита, полюса которого отделены друг от друга продольной щелевой прорезью, одновременно осуществляют функцию источника магнитного поля без использования электрического поля.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц по массам, на фиг.2 изображен раструб для сепарации заряженных частиц в продольном сечении, на фиг.3 изображен вид А фиг.2.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам содержит вакуумную камеру 1, в которой установлены источник 2 заряженных частиц, состоящий из ионизационной камеры 3 и формирующих вытягивающее электрическое поле электродов 4, изоляторы 5, раструб 6 для сепарации заряженных частиц, изогнутый по дугам круговых орбит заряженных частиц и снабженный продольной щелевой прорезью 7, и приемник 8 заряженных частиц, выполненный из элементов 9 и 10. Элемент 9 приемника 8 помещен вблизи узкой части раструба 6 вдоль щелевой прорези 7, а элемент 10 приемника 8 помещен внутри широкой части раструба 6. Элементы 9, 10 приемника 8 заряженных частиц отделены от вакуумной камеры 1 изоляторами 5. Раструб 6 для сепарации заряженных частиц выполнен из статического магнита, полюса которого отделены друг от друга продольной щелевой прорезью 7. Источник 2 заряженных частиц обращен к продольной щелевой прорези 7 и размещен на участке широкой части раструба 6.

Раструб 6 для сепарации заряженных частиц изготовлен из ферромагнитного материала. Статический магнит, из которого выполнен раструб 6, является источником магнитного поля и формирует статическое магнитное поле с магнитным барьером для разделения частиц. Магнитным барьером является повышенное значение магнитной индукции в продольной прорези 7 раструба 6 для сепарации заряженных частиц. Раструб 6 для сепарации заряженных частиц имеет переменный по длине диаметр, изменяющийся в соответствии с орбитой легких заряженных частиц. В раструбе 6 для сепарации заряженных частиц и для использования магнитного поля прорезана продольная щелевая прорезь 7. Раструб 6 для сепарации заряженных частиц и продольная щелевая прорезь 7 в нем обеспечивают разделение пучков заряженных частиц в зависимости от массы частиц. Элементы 9, 10 приемника 8 заряженных частиц снабжены карманами для сбора заряженных частиц.

Магнитное поле с магнитным барьером формируется статическим магнитом раструба 6 для сепарации заряженных частиц. К широкому концу раструба 6 для сепарации заряженных частиц подводятся разделяемые заряженные частицы. Из узкого конца раструба 6 для сепарации заряженных частиц выводятся легкие заряженные частицы. Распределение индукции по радиусу раструба 6 для сепарации заряженных частиц в зоне разделения заряженных частиц таково, что получается поле с барьером магнитной индукции.

Принцип работы предлагаемого устройства для разделения заряженных частиц по массам заключается в том, что разделение заряженных частиц происходит на магнитном барьере поля статического магнита раструба для сепарации 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 раструб 6 для сепарации заряженных частиц.

В раструбе 6 для сепарации заряженных частиц каждый пучок моноэнергетических изотопных ионов разделяется магнитным барьером, расположенным вдоль щелевой прорези 7 статического магнита, на два изотопных пучка. Тяжелые моноэнергетические изотопные ионы обладают меньшей скоростью движения, поэтому слабо подвержены воздействию силы Лоренца и проходят через магнитный барьер. Тяжелые моноэнергетические изотопные ионы поступают в элемент 10 приемника 8 заряженных частиц. Легкие моноэнергетические изотопные ионы не пропускаются магнитным барьером и отклоняются магнитным полем на траекторию движения вдоль магнитного барьера. Легкие моноэнергетические изотопные ионы следуют по траектории, которую определяет протяженный магнитный барьер магнитного поля, вдоль щелевой прорези 7 в элемент 9 приемника 8 заряженных частиц. Магнитный барьер магнитного поля, расположенный вдоль щелевой прорези 7 статического магнита раструба 6 для сепарации заряженных частиц, легко держит легкие заряженные частицы на орбите. По мере движения легкие заряженные частицы попадают в область магнитного поля с большими значениями магнитной индукции и все надежнее удерживаются магнитным барьером.

Важнейшей особенностью раструба 6 для сепарации заряженных частиц является способность закрутить по круговой орбите только легкие заряженные частицы, практически не изменяя прямолинейную траекторию тяжелых заряженных частиц. Это стало возможно потому, что выполнение раструба 6 для сепарации заряженных частиц из ферромагнетика, изогнутого по дугам круговых орбит заряженных частиц, позволило сформировать магнитный барьер. Расщепление пучков изотопных ионов в этом случае максимально, а протяженность зоны разделения заряженных частиц по массам в этом случае становится минимальной.

После раструба 6 для сепарации заряженных частиц разделенные заряженные частицы попадают в элементы 9, 10 приемника 8 заряженных частиц и накапливаются в них. Элемент 10 приемника 8 заряженных частиц предназначен для сбора тяжелых заряженных частиц. Элемент 9 приемника 8 заряженных частиц предназначен для сбора легких заряженных частиц.

Производительность устройства для разделения заряженных частиц по массам определяется током извлекаемых из источника 2 ионов, растет при увеличении напряженности вытягивающего поля в устройстве и увеличении размеров отверстия источника 2. Величина тока извлекаемых из источника 2 заряженных частиц накладывает требования на размеры раструба 6 для сепарации заряженных частиц и элементов 9, 10 приемника 8 заряженных частиц.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить селективность при разделении заряженных частиц по массам, сократить потери разделяемого вещества и снизить энергопотребление.

Предлагаемое устройство для разделения заряженных частиц по массам испытано на электромеханической модели. Разделяемые ионные пучки моделированы немагнитными проводниками с электрическими токами. Легкие заряженные частицы моделированы легким немагнитным проводником с электрическим током. Тяжелые заряженные частицы моделированы тяжелым немагнитным проводником с таким же электрическим током.

Устройство предназначено для ядерной техники и может быть использовано при выделении изотопов из их естественной смеси. Устройство содержит вакуумную камеру 1, источник 2 заряженных частиц, изоляторы 5, раструб 6, приемник 8 заряженных частиц. Источник 2 состоит из ионизационной камеры 3 и формирующих вытягивающее электрическое поле электродов 4. Раструб 6 изогнут по дугам круговых орбит заряженных частиц и снабжен продольной щелевой прорезью 7. Приемник 8 выполнен из элементов 9 и 10. Элемент 9 помещен вблизи узкой части раструба 6 вдоль щелевой прорези 7. Элемент 10 помещен внутри широкой части раструба 6. Источник 2 обращен к продольной щелевой прорези 7 и размещен на участке широкой части раструба 6. Раструб 6 выполнен из статического магнита, полюса которого отделены друг от друга продольной щелевой прорезью 7. При работе устройства разделяемые заряженные частицы из источника 2 поступают к широкой части раструба 6. Легкие заряженные частицы следуют вдоль щелевой прорези 7, выводятся из узкого конца раструба 6 и собираются элементом 9 приемника 8. Тяжелые частицы, обладающие меньшей скоростью движения, поступают в элемент 10 приемника 8. Устройство позволяет повысить селективность разделения, сократить потери разделяемого вещества и снизить энергопотребление. 3 ил.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой установлены раструб для сепарации заряженных частиц, изогнутый по дугам круговых орбит заряженных частиц и снабженный продольной щелевой прорезью, источник заряженных частиц, установленный вдоль продольной щелевой прорези раструба, и приемник заряженных частиц, выполненный из элементов, один из которых помещен вблизи узкой части раструба вдоль щелевой прорези, а другой помещен внутри широкой части этого раструба, отличающееся тем, что раструб выполнен из статического магнита, полюса которого отделены друг от друга продольной щелевой прорезью, а источник заряженных частиц, обращенный к продольной щелевой прорези, помещен на участке широкой части раструба.