УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО МАССАМ Российский патент 2004 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, действующую на частицу при движении по криволинейной траектории, и силу Лоренца, действующую на движущуюся в электрическом или в магнитном поле заряженную частицу.

Известно устройство для разделения заряженных частиц в плазме, в котором разделение частиц осуществляется на участках однородного и неоднородного магнитных полей катушек с обмоткой, выполненных в виде соленоидов, при селективном нагреве в плазме ионов выбранного изотопа. Селективный нагрев ионов выбранного изотопа воздействием высокочастотных электромагнитных полей осуществляется с помощью высокочастотного генератора и антенны. Плазменный масс-сепаратор содержит вакуумную камеру. В вакуумной камере установлен источник заряженных частиц, источник электронов, сепаратор заряженных частиц, высокочастотная антенна и приемник заряженных частиц. Источник заряженных частиц представляет собой источник плазмы. Источник электронов выполнен в виде кольцевого эмиттера. Сепаратор заряженных частиц выполнен в виде магнитной системы с прямым трубчатым участком однородного магнитного поля и изогнутым трубчатым участком неоднородного магнитного поля. На прямом трубчатом участке осуществляется селективный нагрев в плазме ионов выбранного изотопа воздействием электромагнитного поля с частотой, равной его циклотронной частоте. Участок неоднородного магнитного поля выполнен в виде изогнутых труб. Сепаратор заряженных частиц выполнен из многих ступеней. Каждая ступень сепаратора содержит участок однородного магнитного поля, на котором осуществляется селективный нагрев ионов, и участок неоднородного магнитного поля. Участок неоднородного магнитного поля включает четное число отрезков соленоидов с чередующейся по знаку кривизной. Приемник заряженных частиц выполнен в виде коллекторов для отбора требуемых ионных компонентов. Коллекторы ионов выполнены с возможностью перемещения. Коллекторы ионов расположены между соленоидами и на выходе каждой ступени (см. патент РФ 2069084, 6 В 01 D 59/48, Н 01 J 49/26, Н 05 Н 1/02).

Недостатком известного устройства является низкая селективность при разделении заряженных частиц из-за ограниченных возможностей расщепления пучков изотопных ионов, поскольку разделяются рассеянные и несфокусированные пучки изотопных ионов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для разделения заряженных частиц по массам, в котором разделение частиц осуществляется на магнитных барьерах электромагнитного поля, расположенных вдоль электропроводящих труб. Устройство для разделения заряженных частиц по массам содержит вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде изогнутой трубы и полого элемента, расположенного внутри трубы с образованием зазора и соединенного с трубой, с продольными щелевыми прорезями в трубе и полом элементе, с возможностью протекания электрического тока вдоль трубы. Полый элемент выполнен в виде изогнутой трубы, изготовленной из электропроводящего материала, а продольная щелевая прорезь в полом элементе предназначена для реализации магнитного поля, индуцированного протекающим вдоль полого элемента электрическим током (см. патент РФ 2133141, 6 В 01 D 59/48, Н 01 J 49/30).

Основными недостатками прототипа являются, во-первых, невысокая селективность при разделении заряженных частиц вследствие расщепления пучков изотопных ионов с помощью магнитных барьеров в форме неглубоких магнитных желобов, расположенных вдоль продольных щелевых прорезей в трубе и полом элементе в области их точечного внутреннего касания, и последующей транспортировки заряженных частиц по этим желобам; во-вторых высокие энергетические затраты на осуществление процесса разделения заряженных частиц из-за использования полого элемента, требующего электрического тока для индукции 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, приемники заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде изогнутой трубы и полого элемента, расположенного внутри трубы с образованием зазора и соединенного с трубой, с продольными щелевыми прорезями в трубе и полом элементе, с возможностью протекания электрического тока вдоль трубы, полый элемент выполнен в виде раструба из статического магнита, расположенного в трубе с внутренним соединением по окружной линии широкого конца раструба, продольная щелевая прорезь в раструбе предназначена для отделения полюсов статического магнита друг от друга, а источник заряженных частиц размещен в области соединения трубы и широкого конца раструба.

Техническим результатом является повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам и уменьшение энергетических затрат на осуществление процесса разделения.

Повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам обеспечивается формированием широких и более глубоких, чем в прототипе, магнитных желобов в продольных щелевых прорезях в изогнутой трубе и изготовленном из магнитного материала раструбе для разделения заряженных частиц по массам и для транспортировки неразделенных и разделенных по массам заряженных частиц. В прототипе для формирования широких и глубоких магнитных желобов потребовалось бы вырезать место точечного касания изогнутых труб, что в свою очередь сделало бы невозможным соединение изогнутых труб друг с другом. Формирование широких и более глубоких, чем в прототипе, магнитных желобов стало возможным при использовании расположенного в изогнутой трубе раструба с различными продольными образующими. Использование раструба, изготовленного из магнитного материала с различными криволинейными продольными образующими, в котором продольная щелевая прорезь предназначена для отделения магнитных полюсов друг от друга, позволяет достичь большего, чем в прототипе, расщепления пучков заряженных частиц и довести селективность разделения изотопов до 0,99.

Уменьшение энергетических затрат на осуществление процесса разделения заряженных частиц достигнуто путем выполнения полого элемента из магнитного материала, не требующего электрического тока для индукции магнитного поля.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц по массам, на фиг.2 - вертикальный разрез сепаратора заряженных частиц.

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, сепаратор 6 заряженных частиц, выполненный в виде изогнутых с разными радиусами изгиба трубы 7, изготовленной из электропроводящего материала, и полого элемента преимущественно круглого поперечного сечения, выполненного в виде раструба 8 из магнитного материала, а именно из статического магнита, и установленных друг в друге с внутренним соединением по окружной линии в одном их конце, приемники 9 легких заряженных частиц и приемники 10 тяжелых заряженных частиц. Раструб 8, имеющий различные криволинейные продольные образующие, сужается в направлении от области внутреннего соединения с трубой 7 у источника 2 заряженных частиц к приемникам 9, 10 заряженных частиц с образованием зазора между наружной поверхностью раструба 8 и внутренней поверхностью трубы 7. Приемники 9, 10 заряженных частиц изготовлены в виде карманов и электрически отделены от вакуумной камеры 1 изоляторами 5.

Сепаратор 6 заряженных частиц, изготовленный в виде изделия, собранного из трубы 7, по которой протекает постоянный по направлению электрический ток, и раструба 8, формирующих магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами для разделения изотопов, одновременно является источником магнитного поля. Магнитными барьерами являются повышенные значения магнитной индукции в продольной щелевой прорези 11 трубы 7, и в протяженной области пространства вокруг трубы 7, и в продольной щелевой прорези 12 раструба 8. Труба 7 изготовлена из проводящего или сверхпроводящего электрический ток материала. Магнитные полюса раструба 8 отделены друг от друга продольной щелевой прорезью 12. Диаметр широкой части раструба 8 равен внутреннему диаметру трубы 7. Раструб 8 расположен внутри трубы 7 с внутренним соединением, т.е. один конец трубы 7 соединен с раструбом 8 в его широкой части. Труба 7 и раструб 8 расположены симметрично относительно плоскости симметрии сепаратора 6. Труба 7 изогнута по дуге окружности, радиус которой соответствует радиусу круговой орбиты легких заряженных частиц. Раструб 8 изогнут по дуге окружности, радиус которой соответствует радиусу круговой орбиты тяжелых заряженных частиц. В трубе 7 и в раструбе 8 со стороны наименьшего радиуса изгиба трубы 7 и раструба 8 изготовлено по одной продольной щелевой прорези 11 и 12 соответственно, при этом оси прорезей 11 и 12 лежат в плоскости симметрии сепаратора 6. Данное последовательное расположение изогнутой трубы 7 и раструба 8, имеющего различные криволинейные продольные образующие, обеспечивает разделение пучков заряженных частиц в зависимости от их массы. Источник заряженных частиц 2 размещен у продольных щелевых прорезей 11, 12 в области соединения изогнутой трубы 7 и раструба 8 сепаратора 6 заряженных частиц.

Для индукции магнитного поля с магнитными барьерами вдоль трубы 7 необходимо подать электрический ток в одном направлении. Отрицательный потенциал при этом подается на конец трубы 7 в том конце сепаратора 6, в котором вводятся разделяемые положительно заряженные частицы. Положительный потенциал подается на конец трубы 7 в другом конце сепаратора 6, из которого выводятся разделенные положительно заряженные частицы. Значение разности потенциалов на концах трубы 7 регулируется. Распределение индукции в плоскости симметрии сепаратора 6 заряженных частиц в зоне разделения заряженных частиц таково, что получается поле с расходящимися барьерами магнитной индукции.

Предлагаемое устройство для разделения заряженных частиц по массам работает следующим образом.

В ионизационной камере 3 источника 2 заряженных частиц молекулы разделяемых заряженных частиц ионизируются, после чего ионы вытягивают электрическим полем между электродами 4 источника 2 заряженных частиц и затем направляют в сепаратор 6.

Выведенная из источника 2 смесь заряженных частиц в сепаратор 6 заряженных частиц подается в плоскости симметрии сепаратора 6, в пространство, находящееся между вакуумной камерой 1 и местом соединения трубы 7 и раструба 8 сепаратора 6 заряженных частиц. Магнитный барьер вдоль короткого неразветвленного участка в месте соединения трубы 7 и раструба 8 создан электрическим током по трубе 7 и полем изготовленного из магнитного материала раструба 8, поэтому магнитный барьер легко держит разделяемые заряженные частицы на единой мгновенной круговой орбите. По мере движения заряженные частицы попадают в область расхождения трубы 7 и раструба 8, в область расхождения продольных щелевых прорезей 11 и 12, в область магнитного поля с расходящимися магнитными барьерами, в область поля с меньшими значениями магнитной индукции по сравнению с индукцией на неразветвленном участке. Электрическим током, протекающим по трубе 7, 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 через продольную щелевую прорезь 11 в трубе 7 уходит с орбиты, имеющей малый радиус. Пучок тяжелых заряженных частиц переходит на орбиту, имеющую больший радиус. Удержание пучка тяжелых заряженных частиц на орбите, имеющей больший радиус, производится другим магнитным барьером, т. е. достаточным значением магнитной индукции, созданной раструбом 8 в продольной щелевой прорези 12, и, в малой степени, созданной электрическим током по трубе 7.

Особенностью сепаратора заряженных частиц является максимальная селективность при разделении заряженных частиц. Максимальная селективность получена из-за наибольшего расщепления пучков изотопных ионов с помощью магнитных барьеров, имеющих форму глубоких магнитных желобов, расположенных вдоль расходящихся прорезей 11 и 12 в трубе 7 и раструбе 8 соответственно, и за счет последующей транспортировки пучков изотопных ионов по глубоким магнитным желобам. Формирование магнитных барьеров в виде глубоких магнитных желобов стало возможным вследствие использования изготовленного из магнитного материала раструба 8 и соединения трубы 7 и раструба 8 по окружной линии. Применение раструба 8 позволило получить большее, чем в прототипе, расщепление пучков заряженных частиц и достичь селективности разделения изотопов, равной 0,99.

После сепаратора 6 заряженных частиц легкие заряженные частицы попадают в приемник 9, а тяжелые заряженные частицы попадают в приемник 10 и накапливаются в этих приемниках.

Производительность устройства для разделения заряженных частиц по массам определяется током извлекаемых из источника ионов, растет при увеличении напряженности вытягивающего поля, ширины и длины отверстия источника. Повышение производительности устройства для разделения заряженных частиц по массам требует увеличения размеров источника заряженных частиц, сепаратора и приемников заряженных частиц. Для повышения производительности устройства для разделения заряженных частиц по массам требуется также увеличение магнитной индукции в щелевой прорези статического магнита.

Предлагаемое изобретение, по сравнению с известными техническими решениями, повышает селективность при разделении заряженных частиц по массам вследствие разделения заряженных частиц и транспортировки заряженных частиц магнитными барьерами, сформированными в виде глубоких магнитных желобов в продольных щелевых прорезях трубы и раструба, изготовленного из магнитного материала, с различными криволинейными образующими. Формирование глубоких магнитных желобов стало возможным при использовании расположенного в изогнутой трубе раструба с различными криволинейными продольными образующими, в котором продольная щелевая прорезь предназначена для отделения магнитных полюсов друг от друга. Предлагаемое изобретение, по сравнению с известными техническими решениями, уменьшает энергетические затраты на осуществление процесса разделения заряженных частиц путем выполнения полого элемента из статического магнита, не требующего электрического тока для индукции магнитного поля.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам испытано на электрофизической модели. На электрофизической модели устройства для разделения заряженных частиц разделяемые пучки заряженных частиц 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.

Изобретение относится к ядерной технике. В вакуумной камере 1 размещены источник 2 заряженных частиц, изоляторы 5, сепаратор 6 и приемники 10 и 11. Сепаратор 6 состоит из трубы 7 и расположенного внутри нее раструба 8. Труба 7 и раструб 8 формируют магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами и снабжены продольными щелевыми прорезями 11 и 12. Раструб 8 выполнен из статического магнита. Труба 7 выполнена из проводящего или сверхпроводящего материала. Труба 7 и раструб 8 изогнуты по дугам круговых орбит заряженных частиц. Изгиб трубы 7 соответствует радиусам орбит легких заряженных частиц. Изгиб раструба 8 соответствует радиусам орбит тяжелых заряженных частиц. Широкий конец раструба 8 соединен по окружности с трубой 7. Источник 2 заряженных частиц размещен в области соединения трубы 7 и широкого конца раструба 8. Оси симметрии прорезей лежат в плоскости симметрии сепаратора 6. Щелевая прорезь отделяет полюса магнита раструба 8. Разделение заряженных частиц происходит на расходящихся магнитных барьерах магнитного поля, сформированных трубой 7 и раструбом 8, по которым протекают постоянные по направлению электрические токи. Легкие заряженные частицы собираются в приемнике 9, тяжелые - в приемнике 10. Устройство позволяет повысить селективность разделения, уменьшить потери разделяемого вещества. 2 ил.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, выполненный в виде изогнутой трубы и полого элемента, расположенного внутри трубы с образованием зазора и соединенного с трубой, с продольными щелевыми прорезями в трубе и полом элементе, с возможностью протекания электрического тока вдоль трубы, отличающееся тем, что полый элемент выполнен в виде раструба из статического магнита, расположенного в трубе с внутренним соединением по окружной линии широкого конца раструба, продольная щелевая прорезь в раструбе предназначена для отделения полюсов статического магнита друг от друга, а источник заряженных частиц размещен в области соединения трубы и широкого конца раструба.