УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ Российский патент 2004 года по МПК B01D59/48 H01J49/44 H01H5/00 

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для выделения изотопов из их естественной смеси.

Ранее известные устройства для разделения изотопов разработаны в процессе поиска наиболее экономичных путей получения горючего для реализации неуправляемого и управляемого ядерного и термоядерного деления, неуправляемого и управляемого ядерного и термоядерного синтеза, формирования пучков изотопных ионов в ионно-пучковых устройствах и управления пучками изотопных ионов в ускорительной технике.

Известно устройство для разделения изотопов по энергиям, содержащее вакуумную камеру, в которой установлены источник заряженных частиц, приемники заряженных частиц и сепаратор заряженных частиц, образованный двумя парами пластинчатых элементов, являющимися конденсаторами, изогнутых в поперечном сечении по участкам окружных образующих концентричных полых цилиндров и изогнутых в продольном сечении по дугам круговых орбит низкоэнергетических заряженных частиц. Обе пары пластинчатых элементов расположены пересекающимися так, что их электрические поля размещены в пересекающихся направлениях с образованием единого электрического поля, представляющего для заряженных частиц электрический барьер [см. патент РФ на изобретение №2187171, МПК 7 Н 01 J 49/44, В 01 D 59/46, G 21 K 1/087].

Недостатками такого устройства для разделения изотопов по энергиям является невысокая селективность при разделении изотопов по массам вследствие ограниченных возможностей расщепления пучков изотопных ионов, то есть использование устройства не позволяет одновременно с разделением изотопных ионов по энергиям производить разделение изотопных ионов по массам вследствие отсутствия магнитного поля.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для разделения изотопов, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены кольцевой источник изотопных ионов, сепаратор изотопных ионов и аксиальный с кольцевым источником изотопных ионов и сепаратором изотопных ионов кольцевой приемник изотопных ионов. Кольцевой источник изотопных ионов установлен вблизи узкой части сепаратора изотопных ионов, выполненного в виде раструба с продольными щелевыми прорезями, изогнутого по дугам круговых орбит изотопных ионов вдоль щелевых прорезей этого сепаратора. Кольцевые приемники изотопных ионов расположены вдоль щелевых прорезей вокруг широкой части сепаратора изотопных ионов и вблизи широкой части сепаратора изотопных ионов напротив источника изотопных ионов. Разделение изотопных ионов по массам происходит на магнитном барьере магнитного поля, сформированного увеличивающимся по диаметру сепаратором, вдоль которого протекает постоянный по направлению электрический ток [см. патент РФ на изобретение №2137532, МПК 6 В 01 D 59/48].

Недостатками описанного устройства для разделения изотопов являются жесткие требования к исходной смеси разделяемых изотопов, заключающиеся в необходимости предварительной сепарации изотопных ионов по энергиям, и невысокая селективность при выделении изотопов из естественной смеси вследствие ограниченных возможностей расщепления пучков изотопных ионов, то есть устройство для разделения изотопов по массам не позволяет одновременно с разделением изотопов по массам осуществлять разделение изотопных ионов по энергии и импульсам.

Сущность изобретения заключена в том, что в устройстве для разделения изотопов, содержащем вакуумную камеру, в которой вблизи узкой части сепаратора изотопных ионов установлен источник изотопных ионов и вблизи широкой части сепаратора изотопных ионов установлены приемники изотопных ионов, сепаратор изотопных ионов образован пластинчатыми элементами и электромагнитом с полюсными наконечниками, причем пластинчатые элементы выполнены из участков концентричных полых цилиндров, объединены электрически для формирования электрического барьера и расположены между источником изотопных ионов и электромагнитом, а полюсные наконечники электромагнита, вдоль которых установлены приемники изотопных ионов, изготовлены из участков прямого цилиндра с возможностью формирования магнитного барьера.

Техническим результатом является отсутствие жестких требований к исходной смеси разделяемых изотопов, заключающихся в необходимости предварительной сепарации изотопных ионов по энергиям, и высокая селективность при выделении изотопов из естественной смеси.

Отсутствие жестких требований к исходной смеси разделяемых изотопов объясняется увеличением возможностей расщепления пучков изотопных ионов, то есть устройство позволяет осуществлять разделение изотопных ионов по энергиям и импульсам, поскольку используются и электрическое, и магнитное поля, что приводит к разделению изотопов по массам.

Повышение селективности обеспечивается вследствие увеличения возможностей расщепления пучков изотопных ионов, поскольку разделение изотопных ионов сначала на электрическом барьере и затем на магнитном барьере позволяет проводить ранее не возможное управление траекториями изотопных ионов во время полета ионов, результатом чего является полное разделение изотопов при наименьших требованиях к исходной смеси изотопов по массам и энергиям.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства для разделения изотопов, на фиг.2 показана схема изготовления пластинчатых элементов сепаратора изотопных ионов, на фиг.3 дана схема параллельного перемещения пары пластинчатых элементов и последующего взаимного размещения пар пластинчатых элементов сепаратора изотопных ионов, на фиг.4 представлен общий вид сепаратора изотопных ионов и на фиг.5 дан вид на полюс магнитного провода электромагнита и полюсный наконечник. Дополнительно на фиг.1 показано следующее:

- пунктирные изогнутые вниз линии средней толщины со стрелками, обозначающие траектории легких изотопных ионов;

- пунктирные горизонтальные линии средней толщины со стрелками, обозначающие траектории тяжелых изотопных ионов;

- тонкие пунктирные линии со стрелками, обозначающие линии напряженности Е поля электрического барьера;

- тонкие сплошные линии со стрелками, обозначающие линии индукции В поля магнитного барьера.

Устройство для разделения изотопов содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены источник 2 изотопных ионов, состоящий из ионизационной камеры 3 и формирующих вытягивающее электрическое поле электродов 4, сепаратор 5 изотопных ионов, образованный пластинчатыми элементами 6, 7, 8, 9 и электромагнитом 10 с магнитным проводом 11, полюсными наконечниками 12, 13 и электрическими катушками 14, 15, приемники 16 тяжелых изотопных ионов и приемник 17 легких изотопных ионов. Сепаратор 5 имеет широкую и узкую части. Пластинчатые элементы 6, 8 подсоединены к источнику 18 постоянного напряжения, а пластинчатые элементы 7, 9 - к источнику 19 постоянного напряжения. Пластинчатые элементы 6, 7, 8, 9 объединены в электрические пары 6, 8 и 7, 9 и изготовлены из участков концентричных полых цилиндров. Пары пластинчатых элементов 6, 8 и 7, 9 также электрически объединены для формирования электрического барьера. При этом пластинчатые элементы 6, 7, 8, 9 расположены между источником 2 изотопных ионов и электромагнитом 10 по диагоналям относительно общей оси источника 2 изотопных ионов и электромагнита 10 после параллельного переноса пары пластинчатых элементов 7, 9 до пересечения с парой пластинчатых элементов 6, 8. Полюсные наконечники 12, 13 изготовлены из участков прямого цилиндра с возможностью последовательного протекания постоянного по направлению магнитного тока для формирования магнитного барьера. Источник 2 изотопных ионов установлен вблизи узкой части сепаратора 5 изотопных ионов, а приемники 16, 17 изотопных ионов установлены вблизи широкой части сепаратора 5, а именно близи полюсных наконечников 12, 13 электромагнита 10.

Устройство для разделения изотопов работает следующим образом. В ионизационной камере 3 источника 2 изотопных ионов производится ионизация молекул разделяемых изотопов, после чего изотопные ионы вытягиваются электрическим полем между электродами 4 и направляются в сепаратор 5 изотопных ионов. Электрические потенциалы, подведенные от одинаковых независимых друг от друга источников 18, 19 постоянного напряжения к пластинчатым элементам 6, 8 и 7, 9, обеспечивают формирование наведенного электростатического поля с электрическим барьером. С помощью электрического барьера в сепараторе 5 изотопных ионов сначала осуществляется разделение изотопных ионов по энергиям. Электрический барьер уменьшается в направлении движения изотопных ионов от электродов 4 до наконечников 12, 13 электромагнита 10, что создает возможность все менее энергичным ионам сходить с круговой траектории через изогнутый электрический барьер на прямолинейную траекторию и образовывать ленточный пучок. Разделенные по энергиям изотопные ионы образуют ленточный пучок ионов. Ленточный пучок разделенных по энергиям ионов далее подают в поле электромагнита 10 для сепарации изотопных ионов по импульсам. Разделение изотопных ионов по импульсам осуществляется с помощью магнитного барьера. Магнитный барьер между полюсными наконечниками 12, 13 магнитного провода 11 создается электрическими токами по электрическим катушкам 14, 15. При этом магнитный барьер формируется такой высоты, и магнитную индукцию поддерживают на таком уровне, когда пучок легких изотопных ионов остается на круговой орбите, а пучок тяжелых изотопных ионов сходит с круговой орбиты. Пучок тяжелых изотопных ионов далее идет по прямолинейной траектории в приемник 16 тяжелых изотопных ионов. Пучок легких изотопных ионов далее идет по прямолинейной траектории в приемник 17 легких изотопных ионов.

Важнейшей особенностью устройства для разделения изотопов является способность на этапе разделении изотопных ионов по импульсам закрутить по широкому фронту разделенных по энергии ионов на круговые орбиты только легкие изотопные ионы, практически не изменяя по широкому фронту разделенных по энергии ионов прямолинейные траектории тяжелых изотопных ионов. Расщепление l₁ широких пучков изотопных ионов по импульсам в этом случае максимально и равно: l₁=R₁-R₁cosα ₁, где α ₁ - угол поворота широкого пучка легких изотопных ионов по круговым орбитам радиуса R₁. Подразумевается, что угол α ₁<π /2. Протяженность L₁ зоны расщепления широких пучков изотопных ионов по импульсам в этом случае становится минимальной и определяется по формуле L₁=R₁α₁, где угол α ₁ измеряется в радианах. Протяженность L зоны разделения изотопных ионов по массам в этом случае также становится минимальной и определяется по формуле где - протяженность зоны разделения изотопных ионов по энергиям, а - протяженность зоны разделения изотопных ионов по импульсам.

Применение предлагаемого устройства для разделения изотопов обеспечивает следующие преимущества:

1. Решение проблемы избирательного извлечения заранее избранных изотопов из естественной смеси с помощью воздействия электрическими и магнитными барьерами на изотопные ионы.

2. Повышение селективности разделения изотопов.

Изобретение может быть использовано для выделения изотопов из их естественной смеси. Устройство содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены источник 2 изотопных ионов, сепаратор 5, приемник тяжелых изотопных ионов 16 и приемник легких изотопных ионов 17. Сепаратор 5 имеет широкую и узкую части. В ионизационной камере 3 источника 2 ионизируют молекулы разделяемых изотопов. Изотопные ионы вытягиваются электрическим полем между электродами 4 и направляются в сепаратор 5, образованный пластинчатыми элементами 6, 8 и 7, 9 и электромагнитом 10 с полюсными наконечниками 12 и 13. Пластинчатые элементы 6, 8, 7, 9 выполнены из участков концентричных полых цилиндров, объединены электрически для формирования электрического барьера и расположены между источником 2 и электромагнитом 10. Электрический барьер уменьшается в направлении движения изотопных ионов от электродов 4 до наконечников 12, 13. Менее энергетичные ионы сходят с круговой траектории на прямолинейную и образуют ленточный пучок. Для дальнейшего разделения ленточного пучка создают магнитный барьер между полюсными наконечниками 12, 13 магнитного провода 11 при помощи электрических катушек 14 и 15. Пучок тяжелых изотопных ионов поступает в приемник 16, пучок легких изотопных ионов - в приемник 17. Изобретение позволяет извлечь избирательно заданные изотопы из их естественной смеси, повысить селективность разделения. 5 ил.

Устройство для разделения изотопов, содержащее вакуумную камеру, в которой вблизи узкой части сепаратора изотопных ионов установлен источник изотопных ионов и вблизи широкой части сепаратора изотопных ионов установлены приемники изотопных ионов, отличающееся тем, что сепаратор изотопных ионов образован пластинчатыми элементами и электромагнитом с полюсными наконечниками, причем пластинчатые элементы выполнены из участков концентричных полых цилиндров, объединены электрически для формирования электрического барьера и расположены между источником изотопных ионов и электромагнитом, а полюсные наконечники электромагнита, вдоль которых установлены приемники изотопных ионов, изготовлены из участков прямого цилиндра с возможностью формирования магнитного барьера.