СПОСОБ ПАНОРАМНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ МАСС-СЕПАРАЦИИ И УСТРОЙСТВО ПАНОРАМНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ МАСС-СЕПАРАЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2012 года по МПК B01D59/48 

Изобретение относится к способам и устройствам для электромагнитного плазменного разделения химических элементов, изотопов и может быть использовано при выделении химических элементов или групп элементов и производстве изотопов.

Изобретение относится к перспективному приоритетному направлению развития науки и технологий: «Технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработанным ядерным топливом» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г.Смирнов, Е.В.Скиданова, С.А.Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - С.35].

Основными областями применения изотопов и ядерно-чистых веществ является атомная техника - топливо для атомных электростанций, конструкционные материалы в реакторостроении, замедлители и поглотители нейтронов, исследование структуры и свойств веществ методами ядерного магнитного резонанса, терапевтическая ядерная медицина, радиационная стерилизация, модификация растений с помощью радиационно-индуцированных мутаций, изотопные индикаторы.

Известен способ и устройство плазменной масс-сепарации [Бабичев А.П., Муромкин Ю.А., Потанин Е.П. Импульсный метод разделения смесей химических элементов // В сб. докладов X Международной научной конференции «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул». - М.: ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2005. - С.124-129].

Известный способ масс-сепарации реализуется следующим образом.

Разделяемая смесь преобразуется в блоке фазовых превращений в атомарное состояние и затем в ионизаторе превращается в плазму. Плазма ускоряется и инжектируется импульсно в область постоянного ведущего магнитного поля (пролетную трубу), величина которого достаточна для замагничивания ионов всех составляющих потока, а направление поля параллельно направлению (скорости) инжекции плазмы. Ионы различных масс при ускорении приобретают одинаковые энергии, а следовательно, разные скорости; более высокие скорости имеют частицы с меньшей массой. При движении в пролетной трубе частицы разделяются в пространстве в соответствии со своими скоростями - ионы меньших масс опережают тяжелые частицы. Длительность импульса инжекции плазмы составляет малую долю от пролетного времени. В конце пролетной трубы устанавливается система создания встречного магнитного поля, которая включается после прохождения головной более легкой части плазмоида. Тяжелые ионы «размагничиваются», их ларморовские радиусы становятся существенно большими поперечных размеров пролетной трубы, ионы «разбрызгиваются», оседая на цилиндрическом приемнике тяжелой фракции («отвальной зоне»). Легкая фракция принимается на торцевой отборник, находящийся от приемника тяжелой фракции на некотором расстоянии. Граница по массе разделяемых частей плазмоида определяется задачей сепарации, и, например, для жидких отходов производства ядерного оружия она составляет 89 г/моль - тяжелая часть, в которой содержится 99,9% радионуклидов и которая составляет 25% всей массы отходов.

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

- атомарная смесь ионизуется - превращается в плазму;

- плазма ускоряется и инжектируется в область постоянного магнитного поля;

- разделенные компоненты плазменного потока собираются на приемники, расположенные на определенном расчетном расстоянии от инжектора плазмы.

Недостатки данного способа следующие:

- при его реализации возможно разделение смеси веществ только на 2 фракции - легкую и тяжелую;

- режим работы устройства по данному способу импульсно-периодический, что не обеспечивает высокую производительность масс-сепарации;

- качество разделения (разрешение по массам) ухудшается для немоноэнергетичных плазменных (ионных) потоков.

Известное устройство масс-сепарации [Бабичев А.П., Муромкин Ю.А., Потанин Е.П. Импульсный метод разделения смесей химических элементов // В сб. докладов X Международной научной конференции «Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул». - М.: ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2005. - С.124-129] включает блок фазовых превращений, ионизатор, устройство формирования импульсного плазменного потока - плазмоида (источник плазмы), систему создания ведущего магнитного поля (соленоид), систему создания встречного магнитного поля (катушка импульсного магнитного поля), вакуумную камеру, состоящую из двух секций - проводящей (пролетная труба) и непроводящей (приемник «отвала»), и два приемника разделенных тяжелой и легкой фракций плазменного потока.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемых устройств по п.2 и п.3 формулы изобретения, являются:

- устройство формирования плазменного потока;

- система создания магнитного поля;

- вакуумная камера;

- приемники разделенных фракций плазменного потока.

Недостатками известного устройства являются:

- необходимость создания магнитных полей, величина индукции которых составляет 10³-3·10³ Гс на длине L>2 м, которые должны обеспечивать замагничивание ионов всех компонентов плазменного потока;

- необходимость введения дополнительного элемента - устройства формирования плазмоида.

Известен способ и устройство для разделения изотопов [Tihiro Ohkawa / Plasma mass filter // Patent US 6096220. Date of Patent: Aug. 1, 2000].

Известный способ включает генерацию продольного магнитного поля с индукцией В_z в цилиндрическом вакуумном объеме, создание в вакуумном объеме радиального электрического поля напряженностью Е_r поперечного магнитному полю, инжекцию многокомпонентной плазмы в вакуумный объем в область скрещенных магнитного и электрического полей, сепарацию вращающегося потока ионов при взаимодействии с электрическим и магнитным полями на две фракции - легкую и тяжелую с граничной массой, определяемой формулой:

М_с=еа²(В_z)²/8V_сtr,

где:

е - заряд электрона,

а - радиус вакуумного объема,

V_ctr - значение положительного потенциала на оси вакуумного объема, собирание тяжелой и легкой ионных фракций на приемники.

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

- генерация продольного магнитного поля с индукцией B_z в цилиндрическом вакуумном объеме;

- создание в вакуумном объеме радиального электрического поля напряженностью Е_r, поперечного магнитному полю;

- инжекция многокомпонентной плазмы в вакуумный объем;

- сепарация ионов различных масс;

- собирание разделенных ионов различных масс на приемники.

Недостатками известного способа являются:

- многокомпонентная смесь разделяется только на 2 части - легкую и тяжелую, в каждой из которых может остаться много неразделенных химических элементов;

- способ обеспечивает проектную масс-сепарацию лишь моноэнергетичного пучка ионов.

Известное устройство [Tihiro Ohkawa. Plasma mass filter // Patent US 6096220. Date of Patent: Aug. 1, 2000] включает:

- цилиндрическую вакуумную камеру;

- систему создания продольного магнитного поля (соленоид), расположенную вокруг вакуумной камеры;

- систему создания радиального электрического поля, включающую центральный положительный электрод, цилиндрический электрод на стенке вакуумной камеры и набор кольцевых электродов для разноса потенциала на торце вакуумного объема, противоположном инжектору плазмы;

- инжектор многокомпонентной плазмы;

- цилиндрический приемник тяжелой фракции ионов, расположенный на стенке вакуумного объема, и торцевой приемник легкой фракции.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемых устройств по п.2 и п.3 формулы изобретения, являются:

- вакуумная камера;

- система создания продольного магнитного поля (соленоид);

- система создания радиального электрического поля, включающая центральный электрод, цилиндрический электрод на стенке вакуумной камеры и набор торцевых кольцевых электродов для разноса потенциала;

- инжектор многокомпонентной плазмы;

- приемники разделенных ионов.

Недостатками известного устройства являются:

- система создания радиального электрического поля включает центральный электрод, цилиндрический электрод на стенке вакуумной камеры и набор торцевых кольцевых электродов для разноса потенциала, расположенный только на одном торце устройства, что не обеспечивает радиальность электрического поля, его перпендикулярность магнитному полю на всей длине вакуумного объема - области сепарации, что, в свою очередь, ведет к зависимости характеристик процесса масс-сепарации от расстояния вдоль продольной оси устройства;

- устройство обеспечивает разделения многокомпонентной смеси только на 2 части - легкую и тяжелую, не разделяет элементы внутри каждой фракции.

Прототипом заявляемого способа и устройства является способ и устройство плазмооптической масс-сепарации (ПОМС-Е-3) [Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В., Строкин Н.А. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления // Патент РФ №2411067. Опубл. 10.02.11 г.].

Способ масс-сепарации по прототипу включает:

1) получение квазинейтрального аксиально-симметричного многокомпонентного потока плазмы - потока немоноэнергетичных ионов с помощью плазменного ускорителя;

2) транспортировку многокомпонентного потока плазмы через азимутатор, в котором в поперечном радиальном магнитном поле разным ионам сообщаются различные импульсы в азимутальном направлении - осуществляется разделение ионов по массам;

3) транспортировку потока ионов через цилиндрический сепарирующий объем, в котором создается с помощью двух цилиндрических коаксиальных электродов стационарное радиальное электрическое поле и который помещается в область однородного постоянного магнитного поля, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов;

4) компенсацию возникающего из-за ухода электронов объемного заряда плазменного потока;

5) собирание трех групп ионов на два цилиндрических и один кольцевой, расположенный напротив плазменного ускорителя, приемники ионов, находящиеся в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.

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

1) получение квазинейтрального аксиально-симметричного многокомпонентного потока плазмы - потока немоноэнергетичных ионов с помощью плазменного ускорителя;

2) транспортировка многокомпонентного потока плазмы через азимутатор, в котором в поперечном радиальном магнитном поле разным ионам сообщаются различные импульсы в азимутальном направлении - осуществляется разделение ионов по массам;

3) транспортировка потока ионов через цилиндрический сепарирующий объем, в котором создается стационарное радиальное электрическое поле и который помещается в область однородного постоянного магнитного поля, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов;

4) собирание разделенных ионов на приемники, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.

Недостатком способа по прототипу является:

- разделение исходной смеси веществ только на 3 части: 2 целевых вещества и отвал (все остальное).

Устройство по прототипу [Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В., Строкин Н.А. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления // Патент РФ №2411067. Опубл. 10.02.11 г.] включает:

1) плазменный ускоритель;

2) азимутатор;

3) систему создания магнитного поля в цилиндрическом вакуумном сепарирующем объеме;

4) систему создания с помощью двух цилиндрических коаксиальных электродов радиального электрического поля в цилиндрическом вакуумном сепарирующем объеме;

5) источник электронов компенсации объемного заряда потока плазмы;

6) два цилиндрических (они же электроды для создания радиального электрического поля) и один торцевой приемники разделенных компонентов пучка ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.

Признаками устройства по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемых устройств по п.2 и п.3 формулы изобретения, являются:

1) плазменный ускоритель;

2) азимутатор;

3) система создания магнитного поля в цилиндрическом вакуумном сепарирующем объеме;

4) система создания радиального электрического поля в цилиндрическом вакуумном сепарирующем объеме;

5) источник электронов компенсации объемного заряда потока плазмы;

6) приемники разделенных компонентов пучка ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.

Недостатками устройства по прототипу являются:

1) система создания радиального электрического поля в цилиндрическом вакуумном сепарирующем объеме с помощью двух цилиндрических коаксиальных электродов не обеспечивает заданное (радиальное) направление вектора напряженности электрического поля по всей длине сепарирующего объема, что ведет к зависимости характеристик масс-сепаратора от длины сепарирующего объема, их ухудшению;

2) отсутствует возможность с целью оптимизации характеристик масс-сепаратора изменения распределения потенциала, напряженности электрического поля по радиусу цилиндрического вакуумного сепарирующего объема.

При создании способа плазменной масс-сепарации и устройств для его осуществления, объединенных единым изобретательским замыслом, ставилась задача создать в результате такие способ и устройства, в которых остались бы все положительные качества способа и устройства по прототипу и были обеспечены возможности панорамной - для практически любого количества разделяемых компонентов - масс-сепарации многокомпонентных немоноэнергетичных потоков ионов.

Технический результат заявляемых способа панорамной плазменной масс-сепарации и вариантов устройства панорамной плазменной масс-сепарации заключается в расширении диапазона масс сепарируемых за один рабочий цикл немоноэнергетичных ионов, повышении производительности процесса разделения.

Технический результат достигается тем, что в способе панорамной плазменной масс-сепарации, включающем получение многокомпонентного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя, транспортировку потока плазмы через азимутатор, транспортировку потока разделенных по массе ионов через вакуумный сепарирующий объем с постоянными радиальным электрическим и продольным магнитным полями, компенсацию объемного заряда плазменного потока, собирание ионов на приемники, согласно изобретению транспортировку разделенных по массе ионов в вакуумном сепарирующем объеме производят в однородном по длине вакуумного сепарирующего объема постоянном радиальном электрическом поле, которое создают системой из двух цилиндрических коаксиальных электродов и ряда концентрических кольцевых электродов для разноса потенциала, расположенных на обоих торцах цилиндрического вакуумного сепарирующего объема, а собирание разделенных по массе ионов осуществляют на коаксиальные цилиндрические приемники, имеющие, каждый, свой плавающий потенциал и установленные в вакуумном сепарирующем объеме в расчетных по длине и радиусу вакуумного сепарирующего объема положениях в количестве, определяемом количеством сепарирующих элементов.

Технический результат достигается тем, что в устройстве плазменной масс-сепарации, содержащем плазменный ускоритель, азимутатор, системы создания постоянных радиального электрического и продольного магнитного полей в цилиндрическом вакуумном сепарирующем объеме, источники электронов компенсации объемного заряда потока плазмы и приемники разделенных ионов, согласно изобретению дополнительно содержатся коаксиальные цилиндрические приемники, имеющие двухсторонние собирающие поверхности для разделенных ионов, и концентрические кольцевые электроды для разноса потенциала, расположенные на обоих торцах цилиндрического вакуумного сепарирующего объема, при этом коаксиальные цилиндрические приемники установлены в вакуумном сепарирующем объеме в расчетных по длине и радиусу вакуумного сепарирующего объема положениях в количестве, определяемом количеством сепарируемых элементов, а концентрические кольцевые электроды для разноса потенциала соединены между собой и двумя крайними цилиндрическими электродами-приемниками через делитель напряжения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве плазменной масс-сепарации, содержащем плазменный ускоритель, азимутатор, системы создания постоянных радиального электрического и продольного магнитного полей в цилиндрическом вакуумном сепарирующем объеме, источники электронов компенсации объемного заряда потока плазмы и приемники разделенных ионов, согласно изобретению дополнительно содержатся плазменный ускоритель и азимутатор, которые расположены на торце вакуумного сепарирующего объема напротив других плазменного ускорителя и азимутатора, при этом оба плазменных ускорителя предназначены для генерации потоков плазмы, содержащих идентичную многокомпонентную смесь ионов, и содержатся совмещенные приемники разделенных ионов, предназначенные для собирания ионов одинаковой массы, присутствующих в каждом из плазменных потоков, которые расположены в центральной области вакуумного сепарирующего объема, при этом один из приемников выполнен кольцевым и установлен на расстоянии от оси вакуумного сепарирующего объема, равном радиусу выходного окна плазменного ускорителя, а по меньшей мере один выполнен цилиндрическим и установлен коаксиально в вакуумном сепарирующем объеме.

Преимуществами заявляемого способа и устройства по сравнению с прототипом являются возможность осуществления панорамной плазменной масс-сепарации немоноэнергетичных потоков ионов и более высокая производительность процесса разделения веществ.

Заявляемый способ плазмооптической масс-сепарации и устройство для его осуществления поясняются чертежами.

На фиг.1 схематично изображено заявляемое устройство по п.2 формулы изобретения и даны обозначения анализирующих полей и геометрические элементы, необходимые при изложении способа и расчета устройства.

На фиг.2 приведена схема конструкции сепарирующего пространства по п.2 формулы изобретения с указанием цилиндрических коаксиальных электродов-приемников, приемников разделенных веществ и траекторий ионов различных масс.

На фиг.3 приведен график, определяющий радиусы расположения приемников разделенных ионов в зависимости от их массы.

На фиг.4 приведен вариант заявляемого устройства по п.3 формулы изобретения и даны обозначения анализирующих полей и геометрические элементы, необходимые при изложении способа и расчета устройства.

На фиг.5 приведена упрощенная схема сепарирующего пространства с указанием цилиндрических коаксиальных электродов-приемников, приемников разделенных веществ и траекторий ионов различных масс по п.3 формулы изобретения.

На фиг.6 приведены крайние траектории движения потока ионов двух масс, соответствующие ионам с максимальной и минимальной энергиями (скоростями), за половину периода. Цифрами 1, 2 обозначены приемники ионов.

Заявляемое устройство панорамной плазменной масс-сепарации, охарактеризованное в п.2 и п.3 формулы изобретения, содержит (см. фиг.1): 1 - азимутатор, совмещенный с катодом плазменного ускорителя; 2 - магнитные катушки для создания оптимального распределения магнитного поля по объему плазменного ускорителя (позиции 1-6) и обеспечения замкнутого дрейфа электронов в его объеме; 3 - магнитный сердечник, являющийся и полюсом азимутатора 1; 4 - газораспределитель с буферным объемом, 5 - анод, 6 - электронные пушки сопровождения; 7 - систему создания продольного магнитного поля, замагничивающего электроны в сепарирующем объеме; 8, 17, 18 - систему создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме, состоящую из двух цилиндрических электродов 8, 18 и двух наборов кольцевых торцевых аксиально-симметричных электродов 17; приемники разделенных компонентов пучка 8-16, 18. Символами В₀, E_r, i, R, r₁, r₂ обозначены соответственно напряженность продольного магнитного поля в плазменном ускорителе, напряженность радиального электрического поля в плазменном ускорителе, многокомпонентный поток ионов, радиус равновесной траектории, радиусы внутреннего и внешнего цилиндрических коаксиальных электродов-приемников; S, N - полюса магнитов плазменного ускорителя; ^-е - поток электронов компенсации.

Ниже приведено краткое теоретическое обоснование возможности реализации способа и создания устройства по данной заявке.

Для осесимметричных плазменных масс-сепараторов с электростатической фокусировкой ионов (ПОМС-Е) в работе [Бардаков В.М. и др. Масс-сепарация ионов кольцевого плазменного потока / В.М.Бардаков, Г.Н.Кичигин, Н.А.Строкин // Письма в ЖТФ, 2010. - Т.36, вып.4. - С.75-80] сообщалось, что разброс ионов по энергиям в плазменном потоке может послужить препятствием для панорамной сепарации ионов. Там же был описан найденный способ масс-сепарации смеси немоноэнергетичных ионов трех масс М₂<М₀<М₁, когда ионы массами М₁ и М₂ собираются на внутреннем и внешнем цилиндрических коаксиальных электродах-приемниках, а ионы массой М₀ приходят на торцевой кольцевой приемник. Однако существуют задачи масс-сепарации смесей, число компонентов которых значительно превышает 3, например отработанное ядерное топливо. При этом желательно разделять все составляющие смеси в одном цикле работы сепаратора - обеспечить панорамный режим работы устройства. Ниже приводятся аргументы в пользу возможности, при определенных условиях, создания плазменного панорамного масс-сепаратора ПОМС-Е-П.

Решение задачи проведено в цилиндрической геометрии (r, φ, z) в приближение плазмооптики. На скомпенсированный поток плазмы - поток немоноэнергетичных ионов - в области масс-сепарации действует радиальное электрическое поле E_r(r)=-E₀(R/r) и продольное магнитное поле В_z, которое на движение ионов не влияет; электроны в данном магнитном поле замагничены. Угловой разброс скоростей ионов в первом приближении не учитывался: v_r≡0, где v_r - радиальная компонента скорости иона.

Как известно [Морозов А.И. и др. Осесимметричные плазмооптические масс-сепараторы / А.И.Морозов, В.В.Савельев // Физика плазмы, 2005. - Т.31, №5. - C.458-465], в азимутаторе ПОМС-Е ионы различных масс приобретают одинаковый момент D=M_iRv_φAi, а азимутальная скорость иона массы M_i на его выходе обратно пропорциональна массе: v_φAi=D/(M_iR). Пусть в потоке есть разброс ионов ΔW по энергиям: ΔW=W_max-W_min. Азимутальная скорость до азимутатора v_φi=0. Продольная скорость до азимутатора ; после азимутатора она приобретает значение

Эту скорость ион сохраняет в дальнейшем в сепарирующем объеме. Обозначим за v_φA азимутальную скорость иона с центральной массой М₀ на выходе из азимутатора. Тогда D=M₀Rv_φA и Продольные скорости ионов с массой M_i на выходе азимутатора лежат в пределах от

Радиальное движение иона в сепарирующем объеме можно определить как колебательное движение частицы в потенциальной яме [Бардаков В.М. и др. Масс-сепарация ионов кольцевого плазменного потока / В.М.Бардаков, Г.Н.Кичигин, Н.А.Строкин // Письма в ЖТФ, 2010. - Т.36, вып.4. - C.75-80], которая определяется массой иона M_i (центральная масса М₀ при отсутствия v_r покоится на дне потенциальной ямы). Период колебаний иона в яме T(M_i) слабо зависит от M_i, а при |М_i-М₀|<<М₀ можно считать, что T(M_i)=Т₀=const. Точки отражения r_отр(М_i), которые достигаются через t=T(M_i)/2, определяют радиусы приемников ионов массы М_i.

Рассмотрим для примера случай, когда M_i<М₀. Траектории движения ионов, имеющих скорости v_{z1. max} и v_{z1. min}, за время 0<t<Т(М_i)/2 выглядят так, как показано на фиг.6, на которой цифрами 1, 2 обозначены приемники ионов. Для иона массы М₂<М₁ радиус отражения r_отр(M₂)>r_отр(M₁). Важно, чтобы траектория иона с М₂ и v_z2max не пересекала приемник 1 для ионов массы M₁. Из фиг.6 видно, что для разделения ионов и их собирания на различные приемники (1 и 2) необходимо выполнение условия v_z2.max<v_z1.min (случай 2). Если v_{z2. max}>v_z1.min, то траектории соседних ионов могут пересекаться (случай 2'). Таким образом, основная задача при обеспечении работы ПОМС-Е в режиме панорамной сепарации немоноэнергетичного ионного потока заключается в том, чтобы найти условия, при которых v_zi.max падают при уменьшении M_i, когда M_i<М₀, и v_zi.max уменьшаются при увеличении М_i, когда M_i>М₀. То есть v_{zi. max}, как функция М_i, должны иметь максимум при М_i=М₀.

Продифференцировав уравнение для v_{zi. max}(M_i) по М₀ и приравняв производную нулю, получим, что максимум v_{zi. max}(M_i) может достигаться при M_i=M₀, если выполнено условие . Выберем такую v_φA. Тогда:

Из уравнения (4) следует, что v_zi.max=0, если М_i=M₀/2 и M_i=∞. При выбранном в сепарирующий объем проходят только ионы с массами M_i>M₀/2 (если, например, М₀=120 а.е.м., то M_i>60 а.е.м.).

Далее, если есть набор фиксированных масс M_i и М₀, то необходимо определить энергетический разброс ΔW, при котором траектории ионов с максимальной энергией W_max и массами M_k+1 и М_m+1 не будут пересекать приемник для ионов соседних масс M_k и М_m, если M_k+1<М_k<М₀ и М_m+1>М_m>М₀. Приемник массы М_k находится по z между z_k.max=v_zk.maxT(M_k)/2 и z_k.min=v_zk.minT(M_k)/2. Находим такое ΔW, при котором не будет пересечений для любых двух соседних масс. Аналитически найти точное условие для данной задачи трудно. Реальнее построить численно траектории движения ионов с W_max и W_min для всех фиксированных масс М_i и М₀, изменяя (уменьшая) ΔW, пока не будет достигнут нужный результат - отсутствие пересечений.

Аналитически можно решить следующую задачу. Пусть есть ионы центральной массы М₀ и 2n ионов масс M_i=М₀+iΔM; M_i=М₀-iΔM; i= 1…n, то есть набор эквидистантных масс с дискретностью ΔM относительно М₀. Причем полагаем nΔМ/М₀<<1, то есть все массы слабо отличаются от М₀. В этом приближении период колебаний Т(М_i)=Т₀=const, и можно считать, что для радиального движения ионов ямы параболические и периоды колебаний в них для ионов всех масс одинаковые. Дно ямы для иона массой М_i=М₀+ijΔМ располагается на радиусе r_s(M_i)=R(1-iΔM/2), а точка отражения (радиус приемника ионов) r_отр(M_i)=R(1-iΔM); при M_i=М₀-iΔM дно будет на r_si(M_i)=R(1+iΔM/·2M₀), приемник - на r_отр(M_i)=R(1+iΔM/M₀).

Все условия на пересечение приемников для ионов с М_i>М₀ и M_i<М₀ будут одинаковы. Поэтому рассмотрим только массы M_i>М₀. Для обеспечения общего подхода введем безразмерные переменные χ=r/R и δM_i=iΔM. Радиальное движение иона массой М₀+δМ_i со временем будет описываться уравнением:

где Ω=2π/Т₀ - циклическая частота колебаний.

Уравнение траектории χ_i(z) частицы можно найти из уравнения (6), сделав замену t=z/v_zi. Уравнения для крайних траекторий - для ионов со скоростями v_zimax и v_zimin - имеют вид:

;

;

,

где , и соответственно , .

Для иона соседней массы M_i+1=М₀+(i+1)ΔM=M₀+δМ_i+1 траектория описывается уравнением . Время t₁ достижения ионом массой M_i+1 радиуса χ_отр(M_i) определяется из соотношения , откуда

. За это время ион с энергией W=W_max пройдет вдоль оси z расстояние z_i+1(t₁)=v_z(i+1).maxt₁: . Чтобы он не пересек приемник ионов массой M_i, необходимо выполнение следующего условия:

Из уравнения (8) следует условие на соотношение скоростей соседних ионов:

При δМ_i/М₀<<1 можно определить крайние скорости через начальные характеристики ионов: ; , a из уравнения (9) получить условие на энергетический разброс:

В худших, требующих минимального разброса по энергиям, условиях будут находиться ионы двух крайних масс: n=i+1 и n-2=i-1. Для них неравенство (10) записывается в виде: .

Если n>>1, то 2/n=α<<1 и arcсos(-1+α)=π-β, где . В этом случае условие на энергетический разброс будет иметь вид , откуда следует, что

Для случая, например, пяти масс: М₀, М₀±ΔM, М₀±2ΔM, i=1 (в уравнении (10)) получаем . Для n=9, а это 18 изотопов (элементов) вблизи М₀, из уравнения (11) получим .

Таким образом, при разделении смеси веществ, имеющих массы, близкие к массе иона центральной массы М₀, панорамную масс-сепарацию осуществить можно. Требование на моноэнергетичность (разброс по энергиям) при этом достаточно слабое.

При проектировании панорамного плазменного масс-сепаратора естественно воспользоваться точными численными расчетами конструкции устройства. Для иллюстрации возможностей заявляемого метода на фиг.2 приведены траектории в сепарирующем объеме ионов смеси из 10 компонентов; цифрами 1-10 обозначены цилиндрические приемники ионов, среди которых 1, 10 - цилиндрические коаксиальные электроды-приемники ионов, подавая напряжение на которые, как и на электроды 17 (см. фиг.1), задают радиальное электрическое поле. Разность потенциалов на электродах связана с толщиной азимутатора Δ, величинами радиального магнитного поля в азимутаторе В_r, радиусами цилиндрических электродов-приемников r₁, r₂, значением центральной массы М₀ следующим образом:

или , где , где U - разрядное напряжение плазменного ускорителя, v_φA и v₀ - азимутальная компонента скорости иона на выходе из азимутатора и начальная скорость иона центральной массы, определяемая напряжением U. Поток ионов массы М₀ принимается на приемник 9. Остальные приемники на фиг.2 собирают ионы следующих масс М: 1 - М₀/М=0,2; 2 - 0,4; 3 - 0,6; 4 - 0,8; 5 - 1,2; 6 - 1,4; 7 - 1,6; 8 - 1,8; 10 - 2. Ионы имеют энергии в диапазоне (0,2÷1)eU; V_φA/V₀ принята равной 0,3; угловой разброс достаточно большой: V_r/V₀=±0,05. Видно, что приемники «не мешают» друг другу. Напомним, что приемными являются как внутренние, так и внешние стороны цилиндров, что существенно расширяет возможности панорамной масс-сепарации, и что приемники не соединены с источниками электрического питания, а находятся под потенциалом плазмы на линиях их расположения («плавающие»), поэтому не изменяют электрическое поле, задаваемое разностью потенциалов между коаксиальными цилиндрическими электродами-приемниками 1 и 10.

Радиусы цилиндрических коаксиальных электродов-приемников r₁, r₂ также рассчитаны численно и для различных масс приведены на фиг.3.

В варианте заявляемого устройства, охарактеризованного в п.3 формулы изобретения, в случае использования двух ускорителей плазмы (фиг.4) системы для создания продольного магнитного поля (позиция 7) и радиального электрического поля (8, 24, 17) являются «общими», как и приемники 8, 12, 16, 24. Электронными пушками сопровождения (6), необходимыми для компенсации пространственного заряда ионов, покидающих азимутаторы 1, укомплектованы каждый из ускорителей плазмы; также имеется 2 набора независимых приемников разделенных ионов - 9-11, 13-15 и 18-23.

На фиг.5 приведены траектории ионов смеси из 10 компонентов в сепарирующем объеме в случае использования двух ускорителей плазмы (устройство охарактеризовано в п.3 формулы изобретения), генерирующих идентичные потоки плазмы. Как и в случае с одним ускорителем, ионы имеют энергии в диапазоне (0,2÷1)eU; V_φA/V₀=0,3; угловой разброс V_r/V₀=±0,05. Два потока ионов массы М₀ принимаются на приемник 9. Остальные приемники на фиг.5 собирают ионы следующих масс М: 1 - М₀/М=0,2; 2 и 2-1 - 0,4; 3 и 3-1 - 0,6; 4 и 4-1 - 0,8; 5 и 5-1 - 1,2; 6 и 6-1 - 1,4; 7 и 7-1 - 1,6; 8 и 8-1 - 1,8; 10 - 2. Видна возможность еще и некоторой коррекции положения приемников как по длине, так и по радиусу сепарирующего объема.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

В плазменном ускорителе 1-6 (фиг.1, 4) создается квазинейтральный многокомпонентный цилиндрический поток плазмы, имеющий на выходе из ускорителя наиболее вероятную скорость Из ускорителя поток попадает в сепарирующий объем, образованный системой цилиндрических коаксиальных электродов 8, 18 и торцевых кольцевых аксиально-симметричных электродов 17, в котором созданы радиальное электрическое Е_r и продольное магнитное B_z постоянные во времени поля. Магнитное поле с индукцией В_z создается током, протекающим по обмотке системы создания продольного магнитного поля 7. Величина этого поля достаточна для замагничивания электронов в сепарирующем объеме: ларморовский радиус электронов около 3 мм при B_z≥80 Гс, характерном размере сепарирующего объема 300 мм - пример для случая экспериментов на модельной газовой смеси Kr-Ar-N. На ионы многокомпонентной смеси B_z заметного влияния не оказывает (не изменяет траектории движения), но исключает возможность для электронов плазмы двигаться радиально, переносить ток, «закорачивать» радиальное электрическое поле [Морозов А.И. и др. Плазмооптика / А.И.Морозов, С.В.Лебедев // Вопросы теории плазмы / Под ред. М.А.Леонтовича. Т.8. - М.: Атомиздат, 1974. - С.264]. Электрическое поле создается системой электродов 8, 17, 18. Электроды 8, 18 образуют цилиндрический конденсатор, в электрическом поле которого аналогично работе энергоанализатора Юза-Рожанского и происходит отклонение ионов различных масс каждого на свой приемный электрод 9-16 (фиг.1).

Для увеличения производительности процесса разделения в соответствии с п.3 формулы изобретения плазменные ускорители устанавливаются с обеих сторон сепарирующего пространства (фиг.4). При этом приемники ионов разделяются на 3 группы: первая (9-11, 13-15) и вторая (18-23) - принимающие ионы, изначально стартовавшие соответственно из первого и второго ускорителя; третья - (8, 12, 16, 24) - приемники, совместно используемые для ионов заданных масс, стартовавших с обоих ускорителей.

Возможные нарушения нейтральности плазмы (появление объемного заряда) при взаимодействии, например, с приемными электродами компенсируется «электронами сопровождения» электронных пушек 6 (символ ^-е на фиг.1, 4).

Устройство по п.2 формулы изобретения работает следующим образом.

В плазменном ускорителе (позиции 1-6 на фиг.1) генерируется поток плазмы, содержащий ионы разных масс и энергий, наиболее вероятная из которых соответствует наиболее вероятной скорости . Азимутатор 1 обеспечивает разделение ионов по массам (импульсам). В сепарирующем пространстве 7-18 ионы различных масс под действием радиального электрического поля Е_r, создаваемого системой цилиндрических электродов 8, 18 и двух наборов торцевых кольцевых электродов 17, собираются, каждый, на свой приемник (его внутреннюю или внешнюю поверхности) ионов 8-16, 18, превращаясь на их поверхностях в атомы. Продольное (вдоль продольной оси сепаратора - оси Z) магнитное поле B_z, создаваемое с помощью соленоида 7, необходимо для подавления радиальной проводимости, обеспечиваемой электронной компонентой плазмы. Электроны в магнитном поле напряженностью В_z имеют ларморовский радиус r_Le≈3 мм, который и определяет размер по радиусу, на который они могут смещаться, что много меньше характерного размера L сепарирующего объема, например для модельного эксперимента на газовых смесях Kr-Ar-N отношение L/r_Le≈100. Приемники ионов 9-16 не соединены с источниками электрического питания. Они находятся под плавающим потенциалом в месте их расположения, не изменяя распределение потенциала, обеспечиваемое потенциалами электродов 8, 17, 18. После завершения цикла разделения приемники удаляются из панорамного плазменного масс-сепаратора и с их поверхностей известными физико-химическими методами извлекаются атомы разделенных веществ.

Устройство по п.3 формулы изобретения работает следующим образом.

В плазменных ускорителях (позиции 1-6 на фиг.4) генерируются потоки плазмы, содержащие ионы разных масс и энергий, наиболее вероятная из которых соответствует наиболее вероятной скорости . Азимутаторы 1 обеспечивают разделение ионов по массам (импульсам). В сепарирующем пространстве 7-24 ионы различных масс под действием радиального электрического поля Е_r, создаваемого системой цилиндрических электродов 8, 24 и двух наборов торцевых кольцевых электродов 17, собираются, каждый, на свой приемник (его внутреннюю или внешнюю поверхности) ионов 8-16, 18-24, превращаясь на их поверхностях в атомы. Приемники-электроды 8, 24 и приемники 12, 16 являются общими для ионов потоков из обоих ускорителей плазмы, при этом приемник 12 собирает ионы, масса которых равна центральной массе М₀, относительно которой производится разделение многокомпонентной смеси ионов, а на приемник 16 приходят ионы, массы которых мало отличаются от М₀. Продольное (вдоль продольной оси сепаратора - оси Z) магнитное поле B_z, создаваемое с помощью соленоида 7, необходимо для подавления радиальной проводимости, обеспечиваемой электронной компонентой плазмы. Приемники ионов 9-16 и 18-23 не соединены с источниками электрического питания. Они находятся под плавающим потенциалом в месте их расположения, не изменяя распределение потенциала, обеспечиваемое потенциалами электродов 8, 24, 17. После завершения цикла разделения приемники удаляются из панорамного плазменного масс-сепаратора и с их поверхностей известными физико-химическими методами извлекаются атомы разделенных веществ.

Изобретение относится к способам и устройствам для электромагнитного плазменного разделения химических элементов и изотопов. Способ панорамной плазменной масс-сепарации включает получение многокомпонентного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя, транспортировку потока плазмы через азимутатор, транспортировку потока разделенных по массе ионов через вакуумный сепарирующий объем в однородном по длине объема постоянном радиальном электрическом и продольном магнитном полях, причем электрическое поле создают системой из двух цилиндрических коаксиальных электродов и ряда концентрических кольцевых электродов, расположенных на обоих торцах цилиндрического вакуумного сепарирующего объема, компенсацию объемного заряда плазменного потока и собирание разделенных по массе ионов на коаксиальные цилиндрические приемники, имеющие, каждый, свой плавающий потенциал и установленные в вакуумном сепарирующем объеме в расчетных по длине и радиусу объема положениях в количестве, определяемом количеством сепарирующих элементов. Изобретение обеспечивает расширение диапазона масс разделяемых компонентов и повышение производительности плазменных масс-сепараторов. 3 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ панорамной плазменной масс-сепарации, включающий получение многокомпонентного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя, транспортировку потока плазмы через азимутатор, транспортировку потока разделенных по массе ионов через вакуумный сепарирующий объем с постоянными радиальным электрическим и продольным магнитным полями, компенсацию объемного заряда плазменного потока, собирание ионов на приемники, отличающийся тем, что транспортировку разделенных по массе ионов в вакуумном сепарирующем объеме производят в однородном по длине вакуумного сепарирующего объема постоянном радиальном электрическом поле, которое создают системой из двух цилиндрических коаксиальных электродов и ряда концентрических кольцевых электродов для разноса потенциала, расположенных на обоих торцах цилиндрического вакуумного сепарирующего объема, а собирание разделенных по массе ионов осуществляют на коаксиальные цилиндрические приемники, имеющие каждый свой плавающий потенциал и установленные в вакуумном сепарирующем объеме в расчетных по длине и радиусу вакуумного сепарирующего объема положениях в количестве, определяемом количеством сепарирующих элементов.

2. Устройство панорамной плазменной масс-сепарации, содержащее плазменный ускоритель, азимутатор, системы создания постоянных радиального электрического и продольного магнитного полей в цилиндрическом вакуумном сепарирующем объеме, источники электронов компенсации объемного заряда потока плазмы и приемники разделенных ионов, отличающееся тем, что дополнительно содержит коаксиальные цилиндрические приемники, имеющие двухсторонние собирающие поверхности для разделенных ионов, и концентрические кольцевые электроды для разноса потенциала, расположенные на обоих торцах цилиндрического вакуумного сепарирующего объема, при этом коаксиальные цилиндрические приемники установлены в вакуумном сепарирующем объеме в расчетных по длине и радиусу вакуумного сепарирующего объема положениях в количестве, определяемом количеством сепарируемых элементов, а концентрические кольцевые электроды для разноса потенциала соединены между собой и двумя крайними цилиндрическими электродами-приемниками через делитель напряжения.

3. Устройство панорамной плазменной масс-сепарации, содержащее плазменный ускоритель, азимутатор, системы создания постоянных радиального электрического и продольного магнитного полей в цилиндрическом вакуумном сепарирующем объеме, источники электронов компенсации объемного заряда потока плазмы и приемники разделенных ионов, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит плазменный ускоритель и азимутатор, которые расположены на торце вакуумного сепарирующего объема напротив других плазменного ускорителя и азимутатора, при этом оба плазменных ускорителя предназначены для генерации потоков плазмы, содержащих идентичную многокомпонентную смесь ионов, и содержит совмещенные приемники разделенных ионов, предназначенные для собирания ионов одинаковой массы, присутствующих в каждом из плазменных потоков, которые расположены в центральной области вакуумного сепарирующего объема, при этом один из приемников выполнен кольцевым и установлен на расстоянии от оси вакуумного сепарирующего объема, равном радиусу выходного окна плазменного ускорителя, а по меньшей мере, один выполнен цилиндрическим и установлен коаксиально в вакуумном сепарирующем объеме.