СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК B01D59/48 

Изобретение относится к способам и устройствам для электромагнитного плазменного разделения изотопов и получения ядерно-чистых веществ и может быть использовано при производстве стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов. Основными областями применения изотопов являются ядерная энергетика - топливо для атомных электростанций, конструкционные материалы в реакторостроении, замедлители и поглотители нейтронов, использование изотопов в квантовых стандартах частоты и длины, исследование структуры и свойств веществ методами ядерного магнитного резонанса, терапевтическая ядерная медицина, радиационная стерилизация, разведение растений с помощью радиационно-индуцированных мутаций, изотопные индикаторы - изучение распределения и путей перемещения вещества в разнообразных системах.

В настоящее время существует задача нахождения и доведения до промышленного использования альтернативного кинетическим методам разделения более универсального высокопроизводительного одностадийного метода электромагнитного разделения изотопов и элементов. Классический универсальный вакуумный ионно-пучковый электромагнитный метод [Арцимович Л.А. и др. Атомная энергия. - 1957. - Т.3, №12. - С.483] обеспечивает получение ядерно-чистых веществ с высокой степенью чистоты, но в малых (диагностических) количествах.

Перспективным высокопроизводительным считается направление, когда изотопы извлекают из плазмы, содержащей разделяемые элементы. При этом к настоящему времени наиболее «продвинутыми» с практической точки зрения оказались исследования селективного выделения одного из компонентов смеси с применением ионно-циклотронного нагрева и лазерной изотопной сепарации [Изотопы: свойства, получение, применение. В 2 тт. Т.1 / Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - С.307; Долголенко Д.А., Муромкин Ю.А. Разделение изотопов в плазме на основе ионного циклотронного резонанса // Успехи физических наук. - 2009. - Т.179, №4. - С.369-382]. Возможно, это связано с интересом к мощным генераторам электромагнитного излучения СВЧ, гигагерцового и светового диапазонов, которые приоритетно развивались в мире применительно к оборонным задачам.

Наиболее значимое достижение при ионно-циклотронном резонансном нагреве (ИЦР) на установке РРМ со сверхпроводящим соленоидом весом 44 т при расходе 0,5-1 кВт СВЧ-мощности на 1 А эквивалентного тока ионов было получено при обогащения никеля изотопом ⁶²Ni - около 2 г/ч [Долголенко Д.А., Муромкин Ю.А. Разделение изотопов в плазме на основе ионного циклотронного резонанса // Успехи физических наук. - 2009. - Т.179, №4. - С.377]. ИЦР требует серьезных усилий для создания полностью ионизованной стационарной плазмы с концентрацией порядка 10¹² см^-3, осуществления эффективной ионизации рабочего вещества в больших плазменных объемах и отличается сложностью извлечения селективных ионов из плазмы.

В работах [Морозов А.И., Лебедев С.В. Плазмооптика // Вопросы теории плазмы / Под ред. М.А.Леонтовича. Т.8. - М.: Атомиздат, 1974. - С.264; С.Д.Гришин, Л.В.Лесков, Н.П.Козлов. Плазменные ускорители. - М.: Машиностроение, 1983. - С.204; Морозов А.И., Семашко Н.Н. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ. 2002. - Т.28, вып.24. - С.63-66; Морозов А.И., Савельев В.В. Осесимметричные плазмооптические масс-сепараторы // Физика плазмы. - 2005. - Т.31, №5. - с.458-465; А.И.Морозов. Введение в плазмодинамику. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 616 с.] была высказана идея - применить в качестве источника квазинейтральных стационарных плазменных потоков ионов изотопов различных масс ускоритель плазмы.

Известен способ нагрева ионов целевого (одного) изотопа в плазменном ИЦР-методе разделения изотопов и устройство для его осуществления [Патент RU №2143185, МПК Н05В 6/10, Н05В 6/64, B01D 59/48, опубл. 20.12.1999 г.], когда ионы целевого изотопа нагреваются на второй гармонике ионной циклотронной частоты в зоне высокочастотного электрического поля в плазменном потоке, находящемся в однородном магнитном поле. Высокочастотное электрическое поле при этом имеет пространственный градиент в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля. Нагрев на второй гармонике позволяет в 10 раз увеличить плотность плазмы, при которой отсутствует скинирование (ослабление) внешнего высокочастотного электрического поля в объеме плазмы. Далее в процессе разделения ионов изотопов используется различие в поперечной энергии нагретых ионов целевого изотопа и остальных более холодных ионов.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа являются:

1) рабочее вещество - ионы целевых изотопов - инжектируется в область разделения в виде плазменного потока;

2) ионы изотопов извлекаются на сборники из вещества, находящегося в состоянии плазмы.

Недостатком способа по данному аналогу является невозможность в одном рабочем цикле извлекать из плазменного потока ионы различных изотопов - отсутствие панорамности, универсальности и высокая себестоимость.

Известное устройство по данному способу [патент RU №2143185] включает вакуумный объем для сепарации, помещенный в однородное магнитное поле, антенну соленоидального типа для ввода электрической мощности в плазму, внешний генератор электрического поля, однооборотный виток - экрана-формирователя для перераспределения электрического поля, пластины, расположенные на краях витка, задающие градиент электрического поля и играющие роль теплового экрана, сборники ионов целевого изотопа и холодных ионов других изотопов.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства являются:

1) вакуумный объем для сепарации,

2) сборники ионов изотопов.

Недостатками устройства по данному аналогу является отсутствие универсальности, панорамности, кроме того, следует отметить сложность устройства: наличие внешнего источника электрического поля, системы антенн и электродов внутри вакуумного сепарационного объема.

Способ магнитоплазменного или магнитоионного разделения вещества на элементы в устройстве для разделения вещества на элементы по патенту UA №24729, МПК B01D 59/00 (опубл. 10.07.2007 г.) состоит в создании предварительной плазмы при инжекции плазмообразующего газа, ионизации газа электронным пучком, подачу рабочего пара и его ионизацию в предварительной плазме, создание однородного продольного магнитного поля, обеспечение пучково-плазменного взаимодействия, в результате которого возбуждаются ионно-циклотронные колебания, приводящие к появлению турбулентного радиального электрического поля и нагреву ионов целевого (одного) изотопа, собирание ионов тяжелых и легких изотопов на разные приемники.

Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа являются:

1) разделение ионов изотопов происходит в присутствии магнитного поля в вакуумном сепарационном объеме.

Недостатками известного способа являются отсутствие панорамности и универсальности, невысокая производительность, обусловленная низкой эффективностью генерации ионно-циклотронных колебаний в плазме, на возбуждение которых идет малая доля энергии электронного пучка, и необходимостью создания предварительной плазмы.

Известное устройство по данному способу [патент UA №24729] включает вакуумную камеру, узел подачи разделяемого вещества, узел подачи плазмообразующего газа, электронную пушку, приемники тяжелого (целевого) иона изотопа в центральной части вакуумного объема и легких ионов изотопов (отвала) в торце сепарационного объема, магнитную систему, коллектор электронного пучка.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства являются:

1) вакуумная сепарационная камера,

2) узел подачи разделяемого вещества,

3) приемники ионов изотопов.

Недостатками устройства по данному аналогу являются отсутствие панорамности и универсальности, невысокая производительность, обусловленная низкой эффективностью генерации ионно-циклотронных колебаний и необходимостью создания предварительной плазмы, кроме того, следует отметить сложность устройства, состоящую в том, что в конструкцию включена система создания предварительной плазмы, состоящая из узла подачи плазмообразующего газа, электронной пушки с электрическими схемами питания данных устройств, коллектора электронного пучка.

Известно устройство для разделения заряженных частиц по массам по патенту RU №2142328 авторов В.Т.Доронина и А.Н.Жданова (МПК B01D 59/48, Н05Н 5/00, опубл. 10.12.1999 г.).

Устройство включает вакуумную камеру, сепаратор, по которому протекает продольный ток, формирующий азимутальное магнитное поле в области продольных щелевых прорезей сепаратора, кольцевой источник заряженных частиц с выпуском ионов по радиусу в область продольных щелевых прорезей сепаратора заряженных частиц, в которых заряженные частицы, пересекая поперечное направлению движения заряженных частиц азимутальное магнитное поле, разделяются на две части - тяжелую и легкую, кольцевой приемник заряженных частиц, включающий элемент, расположенный вблизи узкой части сепаратора и принимающий легкую компоненту, и элемент, расположенный внутри широкой части сепаратора на пути потока тяжелых заряженных частиц, - приемник тяжелых заряженных частиц.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства являются:

1) вакуумная сепарационная камера,

2) кольцевая форма источника заряженных частиц - ионов изотопов различных масс,

3) сепаратор заряженных частиц - ионов изотопов различных масс - с поперечным к направлению движения заряженных частиц магнитным полем.

Недостатком известного устройства является невозможность разделения ионов изотопов различных масс - разделение идет на группы тяжелых и легких заряженных частиц, но не по отдельным изотопам, невысокая дисперсия (расстояние на приемнике между изотопами различных масс) в однородном поперечном магнитном поле в области продольных щелевых прорезей, низкая производительность.

Прототипом способа и устройства по данному изобретению является способ сепарации по массам квазинейтральных пучков и плазмооптический масс-сепаратор [А.И.Морозов, Н.Н.Семашко. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ. 2002. - Т.28, вып.24. - С.63-66].

Способ по прототипу включает создание квазинейтрального стационарного плазменного потока ионов изотопов различных масс в ускорителе плазмы типа стационарный плазменный двигатель (СПД) или двигатель с анодным слоем (ДАС), инжекцию потока в область поперечного (радиального) магнитного поля азимутатора, разделение ионов изотопов по массам в магнитном поле азимутатора, инжекцию потока разделенных ионов изотопов в область сепарации, создание в области сепарации радиального электрического поля и продольного однородного магнитного поля, фокусировку ионов в радиальном электрическом поле, замагничивание электронов в однородном продольном магнитном поле, собирание ионов различных изотопов, каждого на свой приемник.

Признаками способа по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа являются:

1) создание квазинейтрального стационарного плазменного потока ионов изотопов различных масс в ускорителе плазмы типа стационарный плазменный двигатель (СПД) или двигатель с анодным слоем (ДАС),

2) собирание ионов различных изотопов, каждого на свой приемник.

Недостатком способа по прототипу является невозможность построения устройств по известному способу с использованием существующих в настоящее время СПД и ДАС. Известный способ требует отсутствия энергетического разброса в пучке ионов изотопов и малого (в пределах ±5°) углового разброса, в то время как энергетический разброс ΔЕ существующих плазменных ускорителей с ускоряющим напряжением в сотни вольт примерно равен основной энергии Е потока плазмы: ΔЕ~Е [С.Д.Гришин, Л.В.Лесков, Н.П.Козлов. Плазменные ускорители. - М.: Машиностроение, 1983. - С.204], а лучший из достигнутых угловой разброс составляет 11° [Морозов А.И., Бугрова А.И., Десятсков А.В., Ермаков Ю.А., Козинцева М.В., Липатов А.С., Пушкин А.А., Харчевников В.К., Чурбанов Д.В. Стационарный плазменный ускоритель-двигатель АТОН // Физика плазмы. - 1997. - Т.23, №7. - С.635-645]. Таким образом, способ по прототипу не может обеспечить требуемое разрешение по массам.

Устройство по прототипу включает плазменный ускоритель, азимутатор, магнит, магнитопровод, электронную пушку сопровождения, сепарирующий объем, систему создания продольного магнитного поля в сепарирующем объеме, систему создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме и кольцевые приемники разделенных компонентов пучка ионов изотопов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.

Признаками устройства по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства являются:

1) плазменный ускоритель,

2) магнит,

3) магнитопровод,

4) сепарирующий объем,

5) электронная пушка сопровождения,

6) приемники разделенных ионов изотопов.

Недостатком устройства по прототипу является то, что ионы изотопов разных масс могут перемешиваться на соседних приемниках при использовании существующих плазменных ускорителей в качестве источников ионов, и, как следствие, устройство имеет низкое разрешение (степень обогащения) по массам изотопов.

При создании способа разделения изотопов и устройства для его осуществления по заявляемому изобретению ставилась цель обеспечить высокую производительность, панорамность разделения вещества на изотопы, улучшить качество разделения (дисперсию по массам) и обеспечить минимально возможные габариты устройства (плазменного электромагнитного масс-сепаратора).

Технический результат заявляемого изобретения заключается в возможности совместить высокое разрешение по массам, которое достигнуто на традиционных вакуумных электромагнитных сепараторах, работающих с пучками ионов, с требуемой промышленностью высокой производительностью и универсальностью.

Технический результат достигается тем, что исходное вещество, содержащее, например, смесь n изотопов, подают в газообразном состоянии в плазменный ускоритель, например с полым анодом, где смесь ионизуют в зоне ионизации и ускоряют в зоне ускорения до энергии несколько сотен эВ. Ионы изотопов в составе потока квазинейтральной плазмы выпускают через зазор в магнитопроводе, в котором создают условия для замкнутого азимутального дрейфа электронов. Ионы изотопов попадают в область сепарации вакуумного объема, в котором согласно изобретению создают неоднородное азимутальное магнитное поле - поле прямого тока с магнитной индукцией . В вакууме напряженность магнитного поля равна:

где:

r - радиус, на котором определена напряженность магнитного поля,

I - величина тока,

с - скорость света.

Ионы изотопов двигаются по радиусу к оси сепаратора в магнитном поле по ларморовским траекториям с изменяющимся вдоль траекторий ларморовским радиусом ρ_n, определяемым в каждой точке, например k, траектории n-го иона изотопа массой M_n по формуле:

,

где:

V_n - скорость n-го иона изотопа.

В области максимального магнитного поля вблизи поверхности токопровода ионы изменяют направление своего движения на обратное - начинают двигаться от оси сепаратора. Для исключения паразитного расхождения потока ионов в пространстве из-за возникновения по мере движения плазменного потока объемного заряда, производят компенсацию объемного заряда потока плазмы с помощью источника электронов сопровождения. В процессе движения в области сепарации ионы изотопов разделяют по массам и собирают на приемники ионов изотопов, расположенные на расстояниях, значение которых определяют по формуле:

где:

a - радиус токопровода,

V₀ - начальная скорость ионов изотопов,

е - заряд электрона.

Для достижения технического результата в качестве источника ионов применен, например, плазменный ускоритель с полым анодом с разнесенными зонами ионизации и ускорения, с минимизированным энергетическим и угловым разбросом потока ионов изотопов. Плазменный ускоритель выполнен с кольцевым выпуском потока плазмы - по радиусу к продольной оси ускорителя, что обеспечивает прохождение потока ионов изотопов области «сильного» поля вблизи токопровода. Плазменный ускоритель может быть выполнен с выпуском потока плазмы под изменяемым углом по отношению к продольной оси ускорителя [Петросов В.А., Байдаков С.Г., Баранов В.И., Васин А.И., Назаренко Ю.С. Способ и устройство для ускорения ионов в плазменных ускорителях холловского типа. Патент RU №2196397, МПК Н05Н 1/54, F03H 1/00, опубл. 10.01.2003 г.]. Приемники разделенных ионов изотопов располагают на линии сбора, определяемой уравнением:

где:

M₀ - средняя (центральная) масса иона изотопа,

E₀ - энергия инжекции,

r_L0 - ларморовский радиус иона изотопа центральной массы.

Расстояние между приемниками ионов изотопов равно:

Преимуществами предлагаемого варианта способа разделения изотопов и устройства для его осуществления являются:

1) высокое разрешение по массам, т.е. возможность разделение изотопов с близкими массами;

2) дисперсия (расстояние между ионами изотопов соседних масс на приемнике) превышает дисперсию по прототипу в η≈A/2 раз и η>>1;

3) в устройстве отсутствует азимутатор;

4) в устройстве отсутствует система создания фокусирующего электрического поля в сепараторе.

Следует отметить, что использование плазменного ускорителя с кольцевым выпуском вдоль радиуса к оси сепаратора значительно (в десятки раз) позволило уменьшить геометрические размеры сепаратора по сравнению со случаем, когда используется выпуск аксиально-симметрично вдоль продольной оси сепаратора.

Поясним происхождение названных качеств.

Разрешение по массам в сепарирующем пространстве по данной заявке равно:

где δr - расстояние на приемнике между соседними изотопами.

Разрешение по массам в сепарирующем пространстве по прототипу

и отношение ζ массовых разрешений заявляемого устройства и прототипа равно ζ≈2/А=2/(r_L0/a)<<1, что подтверждает для заявляемого устройства возможность разделение изотопов с более близкими массами.

Выбор схемы инжекции потока плазмы в сепарирующий объем определяется, в том числе, необходимостью минимизировать геометрические размеры области сепаратора, в которой создается разделяющее ионы изотопов магнитное поле. Сравнение двух вариантов инжекции - вдоль продольной оси сепаратора и вдоль радиуса сепаратора к его продольной оси позволило сделать однозначный выбор варианта инжекции - вдоль радиуса к продольной оси сепаратора. Это решение принято на основе анализа траекторий ионов в магнитном поле сепаратора (поле прямого тока). Траектории, полученные методом численного решения уравнений движения ионов, показаны на фиг.1 (малый масштаб; только начальный участок траекторий) и фиг.2 (большой масштаб). Кривая 1 на фиг.2 - траектория иона при инжекции к оси заканчивается в точке r_maxl≈365a; кривая 2 (траектория иона, инжектированного вдоль оси) уходит до значений r_max2≈16000a. Отношение геометрических размеров, определяющих объем масс-сепаратора, r_max2/ r_max1≈44. Использование плазменного ускорителя с кольцевым выпуском вдоль радиуса к оси сепаратора позволило значительно (в десятки раз) уменьшить геометрические размеры сепаратора по сравнению со случаем, когда используется выпуск вдоль продольной оси масс-сепаратора.

Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления поясняются чертежами.

На фиг.1 приведены полученные методом численного счета траектории одинаковых ионов изотопов для случаев старта иона вдоль продольной оси устройства (кривая 1) и вдоль радиуса к оси устройства (кривая 2) для параметра R=eI/(V₀Mc²)=0,3. Точка старта здесь r₀=20a, z₀=0; расстояние нормировано на радиус токопровода а.

На фиг.2 приведены полученные методом численного счета траектории одинаковых ионов изотопов для случаев старта иона вдоль радиуса устройства к оси (кривая 1) и старта вдоль продольной оси устройства (кривая 2). R=0,3; точка старта r₀=20а, z₀=0; расстояние нормировано на радиус токопровода а. Участок траектории, соответствующий движению к оси, не виден из-за большого масштаба картины движения иона изотопа в целом. Траектория 1 иона заканчивается в точке r_maxl≈365а; кривая 2 уходит до значений r_max2≈16000а.

На фиг.3 приведены траектории ионов изотопов трех разных масс, относящиеся как M₁:M₂:М₃=1:1,05:1,1. Цифры у кривых - это значения параметра R. Координаты нормированы на максимальный размах траекторий r_max при R=0,3. Стартовая точка: r₀=20 (движение начинается к оси устройства; участок движения к оси не виден из-за большого масштаба картины движения в целом), z₀=0.

На фиг.4 приведено схематично устройство для разделения изотопов.

Предложенный способ разделения изотопов реализуется следующим образом. Исходное вещество, содержащее, например, смесь n изотопов, подают в газообразном состоянии в плазменный ускоритель, например с полым анодом, с разнесенными зонами ионизации и ускорения, с минимизированным энергетическим и угловым разбросом потока ионов изотопов, где смесь ионизуют в зоне ионизации и ускоряют в зоне ускорения до энергии несколько сотен эВ. Ионы изотопов в составе потока квазинейтральной плазмы выпускают через зазор в магнитопроводе ускорителя 3, в котором создают условия для замкнутого азимутального дрейфа электронов.

Плазменный ускоритель выполняют с кольцевым выпуском потока плазмы - по радиусу к продольной оси ускорителя, что обеспечивает прохождение потока ионов изотопов области «сильного» поля вблизи токопровода. Плазменный ускоритель может быть выполнен с выпуском потока плазмы под изменяемым углом по отношению к продольной оси ускорителя [Петросов В.А., Байдаков С.Г., Баранов В.И., Васин А.И., Назаренко Ю.С. Способ и устройство для ускорения ионов в плазменных ускорителях холловского типа. Патент RU №2196397, МПК Н05Н 1/54, F03H 1/00, опубл. 10.01.2003 г.]. Ионы изотопов транспортируют в область сепарации вакуумного объема, где создают неоднородное магнитное поле - поле прямого тока с магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля, определяемой уравнением:

где:

r - радиус, на котором определена напряженность магнитного поля,

I - величина тока,

с - скорость света.

Ионы изотопов в область сепарации вводят по направлению радиуса к оси сепаратора, где ионы изотопов в присутствии магнитного поля двигаются по ларморовским траекториям с изменяющимся ларморовским радиусом ρ_n, определяемым в каждой точке, например k, траектории по формуле:

,

где:

V_n - скорость n-го иона изотопа,

M_n - масса n-го иона изотопа.

В области максимального магнитного поля вблизи поверхности токопровода ионы изменяют направление своего движения на обратное - начинают двигаться от оси сепаратора. Для исключения паразитного расхождения потока ионов в пространстве из-за возникновения по мере движения плазменного потока объемного заряда, производят компенсацию объемного заряда потока плазмы с помощью источника электронов сопровождения. В процессе движения в области сепарации ионы изотопов разделяют по массам и собирают на приемники ионов изотопов, расположенные на расстояниях, значение которых определяют по формуле:

r_maxn=а·exp(V₀M_nC²/eI),

где:

a - радиус токопровода,

V₀ - начальная скорость ионов изотопов,

е - заряд электрона.

На фиг.3 приведены для примера траектории ионов изотопов трех масс M₁:M₂:М₃=1:1,05:1,1. Цифры у кривых - значения параметра R=eI/(V₀Mc²). Координаты нормированы на максимальный размах траекторий r_max при R=0,3. Точка старта: r₀=20, z₀=0 (движение начинается к оси устройства; участок движения к оси не виден из-за большого масштаба картины движения в целом).

Для осуществления способа предложено устройство для разделения изотопов с кольцевым выпуском пучка ионов - электромагнитный плазменный масс-сепаратор, содержащее плазменный ускоритель 1 (источник ионов изотопов), постоянный магнит 2, зазор магнитопровода с поперечным магнитным полем 3 (в объеме заявляемого устройства), приемники разделенных ионов изотопов 4, расположенные в сепарирующем объеме, источник электронов сопровождения 5, расположенный в сепарирующем объеме, токопровод с током 6; буквой «И» обозначены траектории движения ионов изотопов трех масс.

Устройство работает следующим образом.

В зазоре магнитопровода 3 плазменного ускорителя 1 с кольцевым выпуском потока плазмы с помощью, например, постоянных магнитов 2, создают поперечное ускоряющему напряжению магнитное поле, что обеспечивает замкнутый дрейф электронов и работу плазменного ускорителя 1. Поток плазмы попадает в область максимального магнитного поля вблизи токопровода 6 и изменяет направление своего движения на обратное - начинает двигаться от оси масс-сепаратора (устройства для разделения изотопов). В сепарирующем пространстве ионы изотопов разных масс движутся по траекториям «И» и попадают на приемники разделенных ионов изотопов, которые располагаются на линии сбора, определяемой уравнением:

где:

М₀ - средняя (центральная) масса иона изотопа,

E₀ - энергия инжекции,

r_L0 - ларморовский радиус иона изотопа центральной массы.

Расстояние между приемниками изотопов разных масс равно:

.

В области сепарации для обеспечения компенсации объемного заряда в потоке ионов изотопов генерируются электроны из источника электронов сопровождения 5.

Высокое разрешение по массам в данном случае обусловлено использованием неоднородного магнитного поля, спадающего обратно пропорционально радиусу траектории иона изотопа, и расположением приемников ионов изотопов на расстояниях r_maxn, равных максимальному удалению от точки старта каждого из ионов изотопов.

Высокая производительность получения изотопов с помощью предложенного электромагнитного плазменного масс-сепаратора обеспечивается применением в качестве источника ионов плазменного ускорителя, в котором отсутствует ограничение на ток пучка ионов изотопов собственным объемным зарядом, и применением источника электронов сопровождения.

Универсальность предложенного электромагнитного плазменного масс-сепаратора обеспечивается применением в качестве сепарирующего неоднородного магнитного поля и собиранием разделенных ионов изотопов на индивидуальные приемники.

Изобретение относится к способам и устройствам для электромагнитного плазменного разделения изотопов. Способ разделения изотопов включает подачу рабочего вещества, содержащего смесь n изотопов в газообразном состоянии, в плазменный ускоритель, ионизацию смеси и ускорение ионов изотопов, выпуск ионов изотопов в составе потока квазинейтральной плазмы через зазор в магнитопроводе ускорителя, причем плазменный ускоритель выполняют с кольцевым выпуском потока ионов изотопов по направлению к продольной оси ускорителя. Далее создают в области сепарации азимутальное неоднородное магнитное поле, разделяют ионы изотопов по массам в магнитном поле, компенсируют объемный заряд ионного потока с помощью источника электронов сопровождения и собирают разделенные ионы изотопов на индивидуальные приемники. Устройство для разделения изотопов содержит плазменный ускоритель, магнит, зазор магнитопровода с поперечным магнитным полем, приемники разделенных ионов изотопов, которые расположены на линии сбора ионов изотопов и разнесены друг от друга на расстояние d_ln. Изобретение позволяет улучшить качество разделения, обеспечивает высокую производительность, высокое разрешение по массам и минимально возможные размеры устройства. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ разделения изотопов, включающий подачу рабочего вещества, содержащего смесь n изотопов в газообразном состоянии, в плазменный ускоритель, ионизацию смеси в зоне ионизации и ускорение ионов изотопов в зоне ускорения до энергии несколько сотен эВ, выпуск ионов изотопов в составе потока квазинейтральной плазмы через зазор в магнитопроводе ускорителя, в котором создают условия для замкнутого азимутального дрейфа электронов, отличающийся тем, что плазменный ускоритель выполняют с кольцевым выпуском потока ионов изотопов по направлению к продольной оси ускорителя, в области сепарации создают азимутальное неоднородное магнитное поле с магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля, определяемой уравнением:

где r - радиус, на котором определена напряженность магнитного поля, м,
I - величина тока, А,
с - скорость света, м/с,
разделяют ионы изотопов по массам в магнитном поле, компенсируют объемный заряд ионного потока с помощью источника электронов сопровождения и собирают разделенные ионы изотопов на индивидуальные приемники.

2. Устройство для разделения изотопов, содержащее плазменный ускоритель, магнит, зазор магнитопровода с поперечным магнитным полем, приемники разделенных ионов изотопов, расположенные в сепарирующем объеме, отличающееся тем, что плазменный ускоритель выполнен с кольцевым выпуском ионов изотопов по направлению к продольной оси ускорителя, приемники разделенных ионов изотопов расположены на линии сбора ионов изотопов, определяемой уравнением:

где М₀ - средняя (центральная) масса иона изотопа, кг,
М - масса иона изотопа, кг,

E₀ - энергия инжекции, Дж,
r_L0 - ларморовский радиус иона изотопа центральной массы, м,
r_maxn=a·exp(V₀M_nc²/eI) - максимальное расстояние, на которое уходят ионы изотопов в области сепарации, м,
где a - радиус токопровода, м,
V₀ - начальная скорость ионов изотопов, м/с,
M_n - масса n-го изотопа, кг,
e - заряд электрона, Кл,
при этом сборники разделенных ионов изотопов разнесены друг от друга на расстояние d_ln, определяемое уравнением:
.