СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ В ПЛАЗМЕ МЕТОДОМ ИОННО-ЦИКЛОТРОННОГО РЕЗОНАНСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК B01D59/48 H05H15/00 

Область техники
Изобретение относится к области разделения стабильных изотопов в плазме методом ионного циклотронного резонанса (ИЦР), а также к устройствам для его реализации. Широкое применение стабильных изотопов в радиомедицине, атомной промышленности, а также для решения проблем фундаментальной физики требует поддержания ассортимента получаемых изотопов и увеличения их производства.

Предшествующий уровень техники
Известен электромагнитный способ получения стабильных изотопов средних и больших масс в промышленных масштабах (Арцимович Л.А., Лукьянов С.Ю. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. М., 1978 г., с. 119).

В практически универсальном электромагнитном способе разделение ионов различных масс имеет место в ионном пучке, распространяющемся поперек магнитного поля в вакууме. Вследствие отталкивающего кулоновского взаимодействия между ионами в пучке ионный ток в электромагнитном способе мал, что приводит к ограниченным количествам получаемого изотонически обогащенного продукта при высокой его цене.

Известен эффективный и гибкий метод газового центрифугирования, который позволяет получать сравнительно дешевые стабильные изотопы в значительных количествах (сотни кг и более), но только тех элементов Периодической системы, которые имеют газообразные соединения при комнатной температуре. Таких элементов в природе не более 20.

Известно устройство для получения стабильных изотопов электромагнитным способом (Арцимович Л.А., Лукьянов С.Ю. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. М., 1978 г., с.119).

Известно также устройство, представляющее собой каскад газовых центрифуг (Аббакумов Е. И., Баженов В.А., Вербин Ю.В. и др. Атомная энергия, 1989, т. 67, вып.4, с.255).

В современных условиях возникла проблема получения стабильных изотопов некоторых элементов, которые не имеют удобных газообразных соединений при нормальных условиях и поэтому не могут быть получены центробежным методом, а требуемые количества этих изотопов превышают производительные возможности электромагнитных сепараторов. Эти стабильные изотопы необходимы для нужд ядерной энергетики (Gd-157), медицины (Pd-102, T1-203) и фундаментальной физики (Са-48. Nd-150). Особое место в перечисленном выше ряду занимает изотоп Gd-157, мировая потребность в котором оценивается около одной тонны в год. Этот изотоп, представляющий практический интерес благодаря очень высокому сечению поглощения нейтронов, присутствует вместе с изотопами, имеющими массовые числа 152, 154, 155, 156, 158 и 160.

Перечисленные выше материалы не могут быть получены в килограммовых и более количествах никакими из существующих промышленных методов. Возникает пробел в индустриальных методах получения стабильных изотопов ряда элементов, требуемых в количествах десятков и сотен килограммов в год. Этот пробел на сегодняшний день может заполнить плазменный метод разделения, а именно метод ионно-циклотронного резонанса (ИЦР-процесс).

Поскольку именно нескомпенсированность положительного объемного заряда ионного пучка в масс-сепараторе препятствует увеличению производительности разделительного модуля, было высказано предложение (1. Аскарьян Г.А., Намиот В. А. , Рухадзе А.А. Письма в ЖТФ, 1975, 1, с.820; 2. Dawson J.M., Kim H.C., Arnush D. et al. Phys. Rev. Lett., 1976, 37, р. 1547; 3. Dawson J.M., Patent USA, 4,059,761, 1977; 4. Dawson J.M., Patent USA, 4,066,893, 1978) использовать для разделения ионов по массам плазму, в которой ионный заряд скомпенсирован электронами. По сравнению с промышленным электромагнитным сепаратором ИЦР-установка должна производить существенно большее количество цепного продукта в силу отсутствия ограничений на величину перерабатываемого потока вещества, связанных с положительным объемным зарядом ионов в плазме.

Для разделения изотопов тугоплавких элементов методом ИЦР известен источник с катодным распылением ионами высокой энергии (WO, A1, Romesser Т. et al. , 84/02803). К распыляемой пластине, изготовленной из разделяемого вещества, прикладывают отрицательный электрический потенциал U, достаточный для сообщения бомбардирующим пластину ионам такой энергии, чтобы при ударе о пластину выбить с ее поверхности несколько нейтральных атомов. Далее эти нейтральные атомы ионизируются электронами в зоне электронно-циклотронного резонанса ЭЦР-разряда вблизи пластины. Такой ЭЦР-разряд создают под действием микроволнового (СВЧ) излучения, поступающего по волноводу и отражаемого от зеркала в ЭЦР-зону. Обычно для организации работы такого источника добавляется буферный инертный газ, чтобы обеспечить необходимое количество бомбардирующих пластину ионов как в начале процесса распыления, так и в рабочем режиме процесса распыления, если образующихся ионов недостаточно для эффективного распыления выбранного тугоплавкого элемента (Gd, W и т.д.). Использование в ИЦР-установке инертного газа вызывает ряд нежелательных побочных эффектов. Из-за столкновений ионов и нейтралов этого газа с ионами разделяемого элемента в зоне ВЧ-антенны уменьшается селективность ИЦР-нагрева. Сам инертный газ не адсорбируется на стенках вакуумной камеры, в результате чего его концентрация может быть значительной во всем объеме разделительной ИЦР-установки. Однако более внимательное рассмотрение показывает, что существуют серьезные трудности в реализации распылительного механизма, когда требуется получение изотопов гадолиния. Эти трудности связаны со сравнительно низкой температурой плавления гадолиния (1313^oС) и его низкой теплопроводностью. Дело в том, что тепловая мощность, диссипируемая в катоде при его бомбардировке с целью создания потока распыленных атомов на уровне эквивалентного тока 100 А и выше, достигает 100-200 кВт при площади катодной пластины 2000-3000 см². При таких тепловых нагрузках в условиях низкой теплопроводности гадолиния возникает опасность расплавления пластины (диска), что требует дополнительного охлаждения к охлаждению излучением. Такое охлаждение может быть осуществлено только с тыльной стороны катодной пластины, например, за счет водяного (или другого) охлаждения металлической подложки, к которой крепится распыляемая пластина. К сожалению, создание такой конструкции, требующей надежного соединения подложки и гадолиниевого диска, выдерживающей высокие напряжения в условиях изгибания диска, вызванного его тепловым расширением за счет падающей тепловой мощности, представляет собой очень трудную инженерную задачу. Однако, даже если бы эту задачу удалось решить, всегда будет существовать серьезная опасность локального проплавления гадолиниевой пластины вследствие затруднений при поддержании оптимального режима распыления с однородным прогревом пластины со всеми вытекающими отсюда последствиями прорыва охлаждающей жидкости в вакуумную камеру.

Известен плазменный источник распылительного типа, где вместо буферного инертного газа предлагалось использовать пары легкоиспаряемых металлов (заявка на изобретение 96111414, B 01 D 59/48, 1998.09.27, Карчевский А.И. и др.). Испаритель можно расположить в нижней части установки вблизи ЭЦР-зоны. В качестве рабочего элемента для испарения можно использовать такие вещества, как Zn, Pb и др. Осаждение неионизованных атомов пара металла (Zn, Pb и др. ) в вакуумной рабочей камере вблизи источника на охлаждаемых экранах практически исключит их попадание в зону ВЧ-разряда. Такой источник в принципе мог бы использоваться и при разделении изотопов гадолиния.

Известна также заявка на изобретение ( 96110291, В 01 D 59/48, 1998.08.27, Карчевский А. И. и др.), где было предложено располагать коллектор в области ослабленного однородного магнитного поля. В этом случае рабочая зона нагрева (магнитное поле В₀), определяющая селективность, и зона расположения коллектора (магнитное доле В₁<В₀) оказываются как бы развязанными по величине магнитного поля. В этом случае ларморовский радиус частиц в области коллектора увеличивается пропорционально в силу сохранения магнитного момента μ, связанного с вращением иона по окружности. Это позволяет увеличить расстояние между пластинами коллектора, увеличить размеры экранов и тем самым обеспечить возможность изготовления охлаждаемых пластин коллектора и передних экранов оптимальных размеров.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ и устройство для разделения изотопов, описанное в патенте П. Лувэ (US 5422481, HKИ 250-291), в котором предлагается способ получения пара разделяемого элемента (главное внимание уделено гадолинию) и его последующая ионизация в условиях ЭЦР при испарении из большого контейнера при высокой температуре.

Разделительная ИЦР-установка для этого ориентирована вертикально, и контейнер, содержащий расплавленный разделяемый элемент или сплав этого элемента, расположен на дне разделительной ИЦР-установки. Пар образуется на поверхности расплава и поднимается, проходя зону ионизации. В такой конструкции очень узкая зона ЭЦР-нагрева электронов (порядка нескольких мм) и более протяженная область ЭЦР-разряда (порядка нескольких см) расположены перпендикулярно к потоку нейтралов. Автор не описывает способ нагрева контейнера, что является принципиальным вопросом создания реально функционирующего источника паров с достаточно высокой производительностью. Однако, даже если считать, что такой нагрев осуществим и пар с достаточной плотностью испаряется с поверхности расплава, в предложенной конструкции источника с ионизацией за счет излучения гиротропа поток не успевших ионизоваться нейтральных атомов поступает через зону ЭЦР-разряда непосредственно в зону расположения зеркал СВЧ-тракта и область ВЧ-нагрева ионов. Это должно даже при высоких степенях ионизации пара приводить к запылению нейтралами элементов линии передачи СВЧ-излучения (и в первую очередь зеркал), а также к тому, что в зону ВЧ-нагрева будет проникать нейтральная компонента. Последнее весьма нежелательно, поскольку это будет с неизбежностью приводить к уходу нагретых в ВЧ-зоне целевых ионов из потока в результате резонансной перезарядки на нейтральных атомах. Такие потери будут существенно снижать коэффициенты использования вещества и степень извлечения ценного изотопа. При этом соображения о возможности повышения электронной температуры в ЭЦР-разряде за счет повышения мощности СВЧ-излучения для получения более высоких степеней ионизации неосновательны, поскольку в этом случае мы будем иметь значительное количество двухзарядных и даже трехзарядных ионов. Последнее только усложнит проблему селективного нагрева или приведет к дополнительным потерям производительности установки.

В основу данного изобретения положена задача создания способа и устройства для разделения стабильных изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонанса, которые позволили бы существенно (в сотни и тысячи раз) увеличить производительность получения изотопов промышленным методом по сравнению с промышленным электромагнитным сепаратором.

Поставленная задача решается тем, что в способе разделения стабильных изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонанса, при котором плазму, содержащую ионы, включающую атомы элемента, имеющего по меньшей мере два изотопа, помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию перпендикулярного магнитному электрического поля, частота которого соответствует циклотронной частоте ионов целевого изотопа для преимущественного ускорения этих ионов таким образом, что ионы ускоренного целевого изотопа двигаются по расширяющимся спиральным траекториям с поперечными энергиями, существенно превышающими энергию неускоренных ионов других изотопов, затем селективно ионы ускоренного целевого изотопа отделяют от неускоренного, согласно изобретению предварительно плазму создают путем ионизации паров элемента, изотопы которого подвергают разделению, получаемых испарением электронным пучком, направляют полученный плазменный поток вдоль постоянного магнитного поля и ускоренные ионы целевого изотопа отделяют от остальных в зоне ослабленного магнитного поля с расходящимися силовыми линиями.

Электронный пучок направляют вдоль силовой линии постоянного магнитного поля непосредственно на поверхность испаряемого элемента с возможностью перемещения этого пучка по поверхности.

Электронный пучок направляют вдоль силовой линии постоянного магнитного поля снизу испаряемого элемента.

Вдоль силовой линии постоянного магнитного поля направляют одновременно два электронных пучка, один из которых выходит из зоны ослабленного магнитного поля снизу испаряемого элемента, а другой сверху испаряемого элемента.

Для разделения стабильных изотопов используется устройство, которое включает вакуумную рабочую камеру, расположенную в сверхпроводящей магнитной системе, содержащей плазменный источник, средства транспортировки микроволнового излучения в зону ионизации и коллекторную систему, состоящую из экранов, металлических пластин для отбора целевых ионов и, по меньшей мере, одной отвальной пластины, причем плазменный источник содержит тигель с испаряемым элементом, электронную пушку, позволяющую нагревать и испарять разделяемый элемент, зону злектронно-циклотронного разряда, средства транспортировки микроволнового излучения представляют собой волновод и зеркала, а коллекторная система расположена за областью нагрева в зоне ослабленного однородного магнитного поля, причем металлические пластины для отбора целевого изотопа размещены радиально друг относительно друга.

Коллекторная система расположена в зоне расходящихся силовых линий магнитного поля.

В плазменном источнике в качестве движущегося катода использован гадолиниевый диск, диаметр которого больше чем диаметр плазменного разряда, размещенный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, смещенной вверх от оси сверхпроводящей магнитной системы.

Краткое описание чертежей.

Предложенное изобретение поясняется чертежами, на которых:
фиг.1 - схема ИЦР-установки с электронным пучком;
фиг.2 - схема элемента коллекторной системы;
фиг. 3 - схема расположения коллектора в зоне однородного ослабленного магнитного поля;
фиг.4 - схема расположения радиальных пластин коллектора;
фиг.5 - принцип действия радиального коллектора;
фиг.6 - схема плазменного источника с движущимся распыляемым катодом.

На предложенных чертежах представлены:
1 - вакуумная рабочая камера;
2 - криостат;
3 - соленоид;
4 - тигель;
5 - волновод;
6 - зеркало;
7 - ВЧ-антенна;
8 - траектория целевых ионов;
9 - траектория нерезонансных ионов;
10 - электронный пучок;
11 - электронная пушка;
12 - металлические трубопроводы (полосы);
13 - зона ЭЦР-нагрева;
14 - экраны для сбора испаряемого продукта;
15 - электрод (в том числе и гадолиниевый диск);
16 - металлические пластины для отбора целевых ионов;
17 - защитные экраны;
18 - отвальная пластина.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Пример 1.

Плазменная разделительная установка включает в себя несколько основных узлов, находящихся в вакуумной рабочей камере 1, размещенной в теплом отверстии криостата 2. Это - магнитная система с высокой степенью однородности продольного магнитного поля в достаточно большом объеме (как по сечению, так и по длине), плазменный источник, ВЧ-система изотопически селективного нагрева ионов и коллектор ускоренного целевого изотопа. На чертеже показана схема предлагаемого устройства. Магнитное поле создают соленоидом 3. Для создания однородного в большом объеме магнитного поля необходимы сверхпроводящие магнитные системы (CMC). Источник плазмы (он располагается в левой части устройства) основан на испарении любого металла в тиглях 4. Для ионизации нейтральных атомов в источнике плазмы можно использовать мощные и достаточно экономичные генераторы СВЧ-излучения (клистроны, гиротроны). На чертеже показаны также устройства транспортировки микроволнового излучения в зону ионизации: волновод 5 и зеркало 6. Система селективного нагрева ионов представляет собой ВЧ-антенну 7, генерирующую в объеме плазмы переменные электрические поля с частотой, близкой или равной собственной циклотронной частоте извлекаемого ионного компонента. Испытывая резонансный ионно-циклотронный нагрев, целевые ионы приобретают высокую поперечную (по отношению к продольному магнитному полю) энергию, а следовательно, и больший по сравнению с нерезонансными ионами ларморовский радиус. Траектория целевых ионов 8 и траектория нерезонансных ионов 9 показаны на фиг.1. Длина зоны нагрева ионов должна составлять несколько метров, чтобы уменьшить времяпролетное и доплеровское уширение линии ИЦР-нагрева ионов. Предлагается использовать в ИЦР-установке для испарения гадолиния или любого другого элемента чрезвычайно эффективную методику нагрева и испарения вещества с помощью электронного пучка. Нагрев материала с целью его испарения следует производить в тигле из тугоплавкого материала, нагреваемой мощным электронным пучком 10. Для этого могут быть использованы электронные пушки 11. Транспортировку электронного пучка в такой ИЦР-установке осуществляют вдоль силовых линий магнитного поля. Силовые линии CMC прямолинейны в зоне ВЧ-нагрева и имеют конфигурацию расходящихся линий на торцах. Здесь показаны несколько таких силовых линий магнитного поля. Выбрана одна из них, проходящая на больших радиусах в нижней части рабочей камеры ИЦР-установки и не задевающая элементы конструкций CMC и рабочей камеры. В нижней части отсека плазменного источника под зоной ЭЦР-разряда в области спадающего магнитного поля ИЦР-установки установлен тигель из тугоплавкого материала (например, из Мо, Та, W и т.д.) с твердым гадолинием или другим элементом, изотопы которого разделяются таким образом, чтобы указанная ранее силовая линия проходила через поверхность предполагаемого испарения под некоторым углом к поверхности. При этом возможны несколько вариантов испарения. Можно подогревать тигель электронным пучком, распространяющимся вдоль силовой линии снизу (порт для входа пучка показан в левой части чертежа). Для этого следует изготавливать тигель из молибдена, тантала или другого тугоплавкого материала, который не взаимодействует с гадолинием, причем предусматривать возможность производить периодические перемещения электронного пучка с целью не допущения прожигания материала. Можно направлять пучок сверху непосредственно на поверхность испаряемого материала (порт для введения пучка показан в правой части чертежа), пропуская его вдоль всей вакуумной камеры с противоположного конца установки также с возможностью перемещения пучка по поверхности. Можно также использовать одновременно два электронных пучка, один из которых, распространяющийся из ближней зоны ослабленного магнитного поля снизу, подогревает тигель до умеренных температур (для Gd порядка 1000^oС), а другой, направляемый с противоположного конца установки вдоль поверхности металлической вакуумной камеры, непосредственно осуществляет испарение гадолиния или другого элемента. Тигель может быть удален и заменен новым с помощью шлюзовой системы. Следует иметь ввиду, что Gd является ферромагнитным материалом с точкой Кюри около 30^oС, вследствие чего операцию ввода тигля с Gd и размещением его в сильном магнитном поле следует проводить с подогретым до температуры 100-200^oС рабочим веществом, когда Gd становится слабо ферромагнитным. Такой предварительный подогрев может осуществляться с помощью обычного омического подогревателя с бифилярной токопроводящей системой для предотвращения перехода из парамагнитного в ферромагнитное состояние при комнатной температуре.

Для устойчивой транспортировки электронных пучков в области вдали от поверхности вакуумной камеры необходимо использовать металлические трубопроводы или металлические полосы 12. Если пучок распространяется на расстоянии нескольких сантиметров от металлической поверхности вакуумной камеры, использование трубопроводов и других элементов для поддержания устойчивости пучка не обязательно. Однако расстояние от пучка до стенки камеры не может быть больше некоторого критического значения. Для протекания обратного тока предусмотрен электрический контакт тигля с трубопроводом или металлической стенкой камеры.

Для транспортировки пучка вдоль силовой линии, расположенной на больших радиусах цилиндрического вакуумного объема, должна быть предусмотрена такая конфигурацию элементов CMC (криостата и тепловых экранов), которая допускает беспрепятственное прохождение пучка в области неоднородного поля на торце.

Предлагается также осуществлять выравнивание плотности плазменного потока, генерируемого в источнике с испарением, за счет вариации интенсивности СВЧ-излучения по сечению зоны ионизации.

Преимущество схемы испарения гадолиния или другого тугоплавкого металла, когда пар подается поперек направления последующего извлечения ионов, т.е. поперек магнитного поля, вдоль зоны ЭДР-разряда 13, связано с тем, что не успевшие ионизоваться при своем вертикальном распространении атомы испаренного вещества в основном конденсируются в специально приспособленных для этого экранах 14 вблизи зоны источника плазмы непосредственно над тиглем, а не распространяются вдоль всей рабочей камеры установки. Этот материал можно периодически извлекать и снова направлять в систему испарения. В нижней части рабочей камеры в местах, хорошо защищенных для прямого попадания потока испаряемого материала, размещены зеркала СВЧ-тракта. На электрод 15 подают отрицательный относительно плазмы потенциал для отражения электронов. В такой конструкции существенно снижается концентрация нейтральных атомов в области ВЧ-нагрева и исключаются потери, связанные с перезарядкой ускоренных целевых ионов на нейтральных атомах испаряемого вещества.

Можно использовать сразу несколько тиглей, размещенных в нижней части источника по азимуту рядом друг с другом, позволяющих осуществлять квазинепрерывный режим испарения и генерации плазменного потока. Несмотря на то, что при этом труднее достичь пространственной однородности потока, существенно возрастает эффективность ионизации, а следовательно, и средняя степень ионизации плазменного потока, вытекающего из источника. Тем не менее приемлемая однородность плазменного гадолиниевого потока в такой конструкции достигается перераспределением уровня СВЧ-мощности по высоте с помощью зеркал либо размещением нескольких испарителей, располагающихся по азимуту в нижней зоне источника плазмы.

За зоной нагрева в правой части установки помещена коллекторная система, представляющая собой металлические пластины для отбора целевых ионов 16, защищенные экранами 17, и поперечную к потоку отвальную пластину 18. Для получения высокой изотопической селективности необходимо, чтобы линия циклотронного поглощения энергии целевого "изотопного" иона была разрешена относительно соседних изотопов. Условие селективности может быть представлено в виде

где Δω_1/2 - полуширина линии циклотронного поглощения энергии, ω_c1 и ω_c2 - циклотронные частоты ионов соседних изотопов, средняя циклотронная частота, прямо пропорциональная индукции В_z магнитного поля. Величина Δω_1/2 в обычных режимах при плотностях плазмы порядка 10¹²1/см³ определяется в основном доплеровским и времяпролетным уширением. Времяпролетное и доплеровское уширение хотя и можно уменьшить за счет увеличения длины зоны нагрева (т.е. длины установки), однако последнее также имеет свои ограничения стоимостного и инженерного плана. Поэтому в случае выделения изотопа Gd-157, когда необходимо разрешение линий циклотронного поглощения на уровне в силу относительной близости циклотронной частоты иона Gd⁺-157 и циклотронных частот ионов соседних изотопов Gd⁺-156 и Gd⁺-158, разумным способом поддержания высокой степени селективности является увеличение разности циклотронных частот резонансного и нерезонансных ионов. Для этого, как следует из неравенства (1), необходимо использовать сильные магнитные поля. Однако в сильных магнитных полях осложняется работа коллекторной системы. Для понимания этого явления остановимся несколько более подробно на принципах работы коллектора, изображенного в увеличенном масштабе на фиг. 2. Плоскопараллельные отборные пластины толщиной δ располагаются на оптимальном расстоянии между пластинами d порядка среднего диаметра ларморовской окружности нагретых частиц r_LH. Невысокие передние экраны с высотой h порядка ларморовского радиуса холодных нецелевых ионов r_LC защищают пластины от потока электронов и холодных ионов нецелевого изотопа. Увеличение расстояния между пластинами коллектора d свыше величины 2r_LH будет приводить к уменьшению эффективности извлечения ценного продукта, его уменьшение ниже величины 2r_LH к снижению степени разделения. Ларморовский радиус ионов зависит от его поперечной к магнитному полю скорости V_⊥(а следовательно энергии W_⊥) и магнитной индукции B_z в соответствии со следующей зависимостью: r_L = mV_⊥H/qB_z, где m и q - масса и заряд иона. Для увеличения степени разделения на отборные пластины коллектора может подаваться положительный отталкивающий потенциал U. Величина потенциала выбирается такой, чтобы, с одной стороны, максимально уменьшить поток на пластины холодных ионов, а с другой, чтобы минимально уменьшить поток нагретых целевых ионов. Следовательно, эффективный выбор отталкивающего потенциала зависит от величины поперечной энергии нагретых частиц. Использование отталкивающего потенциала увеличивает степень разделения, но снижает количество и степень извлечения целевого изотопа. Следует также иметь в виду, что энергия ускоренных ионов должна быть ограниченной и не может превышать величину, при которой начинается эффективный процесс самораспыления собираемых ионов (т.е. не более 300-500 эВ). В сильных магнитных полях ларморовский радиус целевых ионов при сохранении их поперечной энергии на таком предельно допустимом уровне уменьшается и может оказаться слишком малым с точки зрения конструктивной возможности реализации коллекторной системы: при изготовлении коллекторной системы передний экран и коллекторные пластины должны охлаждаться и не могут иметь малые размеры или быть очень тонкими. Так, например, при разделении изотопов гадолиния в магнитных полях порядка 4 Тл средний ларморовский радиус "нагретых" ионов при их поперечной энергии W_⊥ = 200эB составляет всего около r_LH≈6 мм, а высота экрана для холодных ионов (10 эВ) должна составлять около 1 мм. Ясно, что в этих условиях само изготовление охлаждаемого водой коллектора представляет сложную конструктивную проблему. Поэтому при больших рабочих магнитных полях в зоне нагрева при сохранении поперечной энергии на уровне, предотвращающем самораспыление на коллекторе, когда необходимо сближать пластины коллектора, чтобы избежать уменьшения коэффициента извлечения ценного изотопа, становится заметной относительная доля нежелательных потерь целевых ионов на передние экраны (изготовление их очень тонкими и с малой высотой невозможно по конструктивным соображениям) по сравнению с потоками ионов на отборные пластины. Увеличение же ларморовского радиуса за счет повышения энергии ускоряемых ионов нежелательно в силу возрастания самораспыления отбираемого продукта на отборной пластине.

Другая трудность, возникающая при отборе продукта в условиях сильных магнитных полей, связана с уменьшением продольного размера зоны осаждения вещества в силу малого шага спирали ионов L, где L≈V_zT_c, V_z - средняя продольная скорость ионов, Т_c - период циклотронного вращения ионов, который обратно пропорционален магнитному полю. Она приводит к нежелательным локальным тепловым перегрузкам и невозможности осуществлять долговременные наработки продукта без удаления обогащенного вещества с передней кромки отборной пластины. Действительно, поскольку основной сбор обогащенного вещества осуществляется на переднюю кромку отборной пластины протяженностью L≈1 cм, через несколько часов работы сепаратора высота напыленного продукта может превысить высоту h переднего экрана и эффективность экрана упадет. (Это особенно существенно для изотопов, исходная концентрация которых высока (Gd-157, 15%)). В результате резко уменьшается разделительный аффект во время сбора материала на коллекторе из-за снижения эффективной высоты экрана.

Одна из трудностей, которая может возникнуть при работе коллектора, связана с конечной толщиной переднего экрана Δ. Во-первых, тот факт, что часть горячих ионов будет осаждаться на обращенной вверх поверхности, является нежелательным, поскольку уменьшает коэффициент извлечения целевого изотопа. Кроме того, в процессе работы толщина напыленного на эту поверхность продукта будет увеличиваться, препятствуя нормальной работе разделительной установки.

Как известно, при пролете нагретых ионов в промежуточной зоне спадающего поля происходит перераспределение поперечной энергии ионов W_⊥ в продольную (это связано с действием радиальной составляющей магнитного поля ), что способствует "размазыванию" извлекаемого вещества по пластине (L≈V_zT_c) в продольном направлении и снимает трудности, связанные как с быстрым ростом толщины напыленного вещества, так и с локальными тепловыми перегрузками. Кроме того, поперечно "нагретые" в ВЧ-зоне ионы приобретают в этом процессе существенно более высокую продольную энергию, чем "холодная" составляющая. Это выражается в том, что шаг спирали винтовой траектории горячих ионов становится существенно больше соответствующей величины для холодных. Это способствует преимущественному осаждению нецелевой составляющей в начале отборной пластины, а горячей на значительно большем протяжении, что приводит к дополнительному продольному разделению на отборной пластине. Это обстоятельство позволяет при расположении плоского коллектора в зоне ослабленного магнитного поля оптимизировать высоту h переднего экрана и использовать его как средство ограничения электронного тока при подаче положительного отталкивающего потенциала U на отборную пластину (фиг 3). Последнее будет способствовать увеличению коэффициента извлечения ценного изотопа.

Как уже отмечалось выше в области ослабленного однородного магнитного ноля процесс сбора селективно нагретых ионов с помощью системы плоскопараллельных пластин может оказаться более эффективным, чем при расположении коллектора в зоне основного магнитного поля, совпадающего по величине с рабочим полем в области нагрева ионов. Это позволяет отделить нагретый компонент от холодных нецелевых составляющих изотопной смеси в пространстве вдоль по длине коллектора. Зона однородного ослабленного поля может быть создана с помощью установки в CMC дополнительных токовых обмоток и конструктивных элементов.

Можно использовать в зоне однородного ослабленного поля систему соосных цилиндрических поверхностей.

С целью избежания усложнения конструкции соленоида можно располагать коллектор непосредственно в области расходящихся силовых линий магнитного поля соленоида в торцевой зоне ИЦР-установки. Для этого коллекторную систему предложено выполнить из набора соосных поверхностей вращения, образующие которых совпадают с расходящимися силовыми линиями магнитного поля. К сожалению, изготовление и точное размещение такой конструкции в зоне расходящихся силовых линий неоднородного магнитного поля может вызвать затруднения.

В данной заявке нами описывается совершенно новый тип коллекторной системы, не предлагавшийся ранее для ИЦР-установок. Ее особенность заключается в использовании радиально расположенных коллекторных пластин. На фиг. 4 схема расположения пластин показана, если смотреть на нее со стороны потока плазмы. Такая система может быть с успехом расположена как в рабочей зоне однородного магнитного поля, так и в зоне однородного ослабленного поля, а также в зоне расходящихся силовых линий поля. Последнее особенно важно для получения изотопов Gd в промышленных масштабах. В этом случае расходящиеся силовые линии неоднородного магнитного поля оказываются параллельными собирающим пластинам. Несмотря на то, что такая система, по-видимому, несколько проигрывает плоской по эффективности из-за изменения расстояния между пластинами в радиальном направлении, ее создание и размещение существенно упрощается. Эта коллекторная система требует подачи задерживающего потенциала на собирающие пластины, чтобы исключить сбор холодных ионов, движущихся азимутально вследствие градиентного и центробежного дрейфов, и соответственно использования экранов хотя бы минимальной высоты. На фиг.5 показаны особенности сбора вещества в случае радиального коллектора. В силу радиального характера размещения коллекторных пластин расстояние между ними будет изменяться с радиусом и поэтому необходимо оптимизировать такой коллектор по разделительным свойствам с учетом среднего диаметра ларморовских окружностей нагретых ионов.

Отметим, что предлагаемые конструкции коллекторов могут быть использованы при наработке любых изотопов металлов.

Пример 2.

Распылительный вариант источника гадолиниевой плазмы.

Для решения проблемы распыления гадолиния (или любого другого разделяемого вещества с умеренными температурами плавления) применительно к промышленному варианту установки, способной разделять сотни кг/месяц исходного вещества, предлагается вообще отказаться от принудительного охлаждения катода 15 (фиг.6), используя только собственное тепловое излучение распыляемого в вакууме вещества. С этой целью необходимо сделать движущийся катод. Например, в качестве катода можно использовать массивный гадолиниевый диск большего, чем диаметр плазменного разряда, размера, который имеет возможность вращаться вокруг горизонтальной оси, смещенной вверх от оси CMC. Суть данного предложения сводится к тому, чтобы предоставить возможность распыляемому вращающемуся гадолиниевому диску охлаждаться самому за счет теплового излучения. В этом случае область ЭЦР-разряда будет обрабатывать только малую часть поверхности распыляемого диска. При вращении диска горячая распыляемая зона будет непрерывно перемещаться по поверхности диска, захватывая все новые и новые его области. Вследствие тепловой инерции вышедшее из под ионной бомбардировки горячее "пятно" еще некоторое время будет испускать тепло как серое тело со скоростью εσT⁴ Вт/м², где ε - степень черноты поверхности, σ - постоянная Стефана-Больцмана, Т - абсолютная температура поверхности пятна. При достаточной величине скорости вращения диска падающая на него тепловая мощность будет сниматься за счет теплового излучения практически всей поверхности гадолиниевого диска при температуре зоны распыления, весьма далекой от точки плавления. В нижней части рабочей вакуумной камеры 1 размещены узлы гиротронного комплекса - волновод 5 и зеркала 6. В качестве затравочного "газа" используют пары легкоиспаряемых веществ, нагреваемых в обычном тигле 4. При этом используются собирающие вещество пластины 14 в верхней части камеры источника. Для фиксации и ограничения зоны распыления "движущегося" катода - гадолиниевого диска необходимо использование ограничительной диафрагмы 19. Использование массивного гадолиниевого диска решает попутно проблемы рабочего вещества в количестве, необходимом для непрерывной работы в течение длительного промежутка времени. В предлагаемом распылительном варианте гадолиниевого источника предусмотрена возможность предварительного перед включением основного магнитного поля прогрева (до невысоких температур (~ 350 К) распыляемого диска с целью уменьшения его ферромагнитных свойств. При использовании такой конструкции для разделения неферромаганитных материалов указанные предосторожности являются излишними.

Промышленная применимость.

Следует отметить, что основные и наиболее дорогостоящие структурные элементы плазменной установки - сверхпроводящая магнитная система, гиротроны, ВЧ-геператор и вакуумное оборудование в настоящее время являются достаточно разработанными и испытанными устройствами. Последнее является существенным аргументом в пользу применения для разделения изотопов гадолиния и некоторых стабильных изотопов в промышленных масштабах именно плазменного метода.

Наиболее выгодно получать в больших количествах на основе ИЦР-метода такие стабильные изотопы, как кальций-48, палладий-102, неодим-150, гадолиний-157 и таллий-203.

Изобретение предназначено для химической, атомной промышленности, а также для радиомедицины. В вакуумной рабочей камере 1, размещенной в криостате 2, создают продольное однородное магнитное поле соленоидом 3. В левой части камеры 1 расположен плазменный источник, содержащий тигель 4 для испарения разделяемого элемента, электронную пушку 11, создающую электронный пучок 10, проходящий по металлическому трубопроводу 12. Плазменный источник также содержит зону электронно-циклотронного разряда 13 и экраны 14 для сбора испаряемого продукта. На экранах 14 собираются атомы разделяемого вещества, не успевшие ионизироваться, которые можно периодически извлекать из камеры 1 и снова помещать в тигель 4. Средства транспортировки микроволнового излучения в зону ионизации представляют собой волновод 5 и зеркало 6. Электрод 15 предназначен для отражения электронов, что исключает потери. Для селективного нагрева ионов устройство снабжено высокочастотной антенной 7. В результате резонансного ионно-циклотронного нагрева целевые ионы приобретают высокую поперечную энергию и траекторию 8. Нецелевые изотопы имеют траекторию 9. Коллекторная система расположена в правой части камеры 1 за областью нагрева в зоне ослабленного однородного магнитного поля и состоит из экранов 17, защищающих металлические пластины 16 для сбора целевых ионов, и поперечной к потоку отвальной пластины 18. Пластины 16 размещены радиально друг относительно друга. Способ и устройство характеризуются высокой производительностью и особенно эффективны для разделения изотопов тугоплавких элементов. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ разделения стабильных изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонанса, в котором плазму, содержащую ионы, включающие атомы элемента, имеющего, по меньшей мере, два изотопа, помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию переменного перпендикулярного магнитному электрического поля, частота которого соответствует циклотронной частоте ионов целевого изотопа для преимущественного ускорения этих ионов таким образом, что ионы ускоренного целевого изотопа двигаются по раскручивающимся спиральным траекториям с поперечными энергиями, существенно превышающими энергию неускоренных ионов других изотопов, затем ионы ускоренного целевого изотопа отделяют от неускоренных ионов, отличающийся тем, что предварительно плазму создают путем ионизации паров элемента, изотопы которого разделяются, получаемых испарением с помощью электронного пучка, направляют образовавшийся плазменный поток вдоль постоянного магнитного поля и ускоренные ионы целевого изотопа отделяют от остальных ионов в зоне ослабленного магнитного поля с расходящимися магнитными силовыми линиями.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электронный пучок направляют вдоль силовой линии постоянного магнитного поля непосредственно на поверхность испаряемого элемента с возможностью его перемещения по поверхности.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что электронный пучок направляют вдоль силовой линии постоянного магнитного поля снизу испаряемого элемента.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что вдоль силовой линии постоянного магнитного поля направляют одновременно два электронных пучка, один из которых выходит из зоны ослабленного магнитного поля снизу испаряемого элемента, а другой сверху испаряемого элемента.5. Устройство для разделения стабильных изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонанса, включающее вакуумную рабочую камеру, расположенную в сверхпроводящей магнитной системе, содержащей плазменный источник, средства транспортировки микроволнового излучения в зону ионизации и коллекторную систему, состоящую из экранов, металлических пластин для отбора целевых ионов и, по меньшей мере, одной отвальной пластины, отличающееся тем, что плазменный источник содержит тигель с испаряемым элементом, электронную пушку, позволяющую нагревать и испарять разделяемый элемент, зону электронно-циклотронного разряда, средства транспортировки микроволнового излучения представляют собой волновод и зеркало, а коллекторная система расположена за областью нагрева в зоне ослабленного однородного магнитного поля, причем металлические пластины для отбора целевых ионов размещены радиально друг относительно друга.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что коллекторная система расположена в зоне расходящихся силовых линий магнитного поля.7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в плазменном источнике в качестве движущегося катода использован гадолиниевый или любой другой диск из разделяемого вещества, диаметр которого больше, чем диаметр плазменного разряда, размещенный с возможностью его вращения вокруг горизонтальной оси, смещенной вверх от оси сверхпроводящей магнитной системы.