Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления Российский патент 2019 года по МПК H05H1/54 

Изобретение относится к способам и устройствам для разделения элементов в многокомпонентных смесях и может быть использовано при разделении сложных веществ на отдельные элементы или при производстве изотопов химических элементов. Наиболее актуальной проблемой с точки зрения разделения сложных веществ на элементы является разделение отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) на продукты деления и трансурановые элементы; основной областью применения изотопов является ядерная энергетика.

В настоящее время активно обсуждаются магнито-плазменные методы разделения ОЯТ, в частности, плазмооптический метод [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; Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Строкин Н.А. Масс-сепарация ионов кольцевого плазменного потока // Письма в журнал технической физики, 2010. - Т. 36, вып. 4. - С. 75-80; Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В., Строкин Н.А. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления // Патент RU №2411067, МПК B01D 59/48, опубликовано 10.02.2011 г., Бюлл. №4]. Плазмооптическая масс-сепарация включает реализацию трех последовательных процессов: генерацию плазмы в плазменном ускорителе (ПУ) и формирование плазменного потока - разделение ионов по массам в азимутаторе - сбор ионов на приемники в сепарирующем объеме. Азимутатор (магнитный барьер - МБ) - область системы формирования многокомпонентного пучка ионов, в которой создается поперечное (радиальное) к направлению движения ионного потока магнитное поле. Для оптимального использования сепарирующего пространства плазмооптического масс-сепаратора (ПОМС-Е; см. Фиг. 1) с практически приемлемой длиной L ≤ 1 м ионам плазменного потока необходимо пересечь в азимутаторе магнитный поток B_rd ≈ 30 Тл⋅м, где B_r - величина радиальной компоненты индукции магнитного поля, d - размер азимутатора вдоль траектории движения ионов. Для обеспечения такого потока при d ≈ 10^-2 м необходимо поле B_r ≥ 0,3 Тл, при котором электроны плазмы оказываются замагниченными (ларморовский радиус электронов ρ_е << d), а ионы - незамагниченными (ларморовский радиус ионов ρ_i >> d). Плазма между катодом (позиция 1 на Фиг. 1) и анодом (позиция 5) ПУ является квазинейтральной - число ионов равно числу электронов. Поэтому ограничений на величину тока пучка ионов, связанных с влиянием пространственного заряда, здесь нет.Чем больше ток ионов, тем больше производительность масс-сепаратора. Однако в области МБ азимутатора происходит нарушение квазинейтральности - электроны «останавливаются» на границе МБ со стороны ПУ; далее через МБ идут только ионы. Количество ионов, прошедших МБ, значительно меньше их числа в ПУ из-за их торможения в амбиполярном электрическом поле, возникающем из-за разделения ионов и электронов на границе МБ и собственного пространственного заряда пучка положительно заряженных ионов, вызывающего рассеяние - уход ионов пучка с основной траектории. Нами найдено, что существует критическая (с верхней стороны) плотность ионов n_кр на входе в азимутатор, при которой поток ионов через азимутатор вообще не проходит. Для потока ионов, имеющих энергию W₀, (здесь ε₀ - диэлектрическая постоянная; е - заряд электрона).

Таким образом, при практической реализации процесса плазмооптической масс-сепарации в настоящее время исследователи сталкиваются с проблемой малой ее эффективности из-за потерь ионов в азимутаторе. Для исключения данной проблемы необходимо найти способ и разработать устройство системы формирования потока ионов, которые обеспечивали бы прохождение ионов, рожденных в плазменном ускорителе, через магнитный барьер азимутатора с минимальными потерями. Оптимальным решением задачи было бы обеспечение в азимутаторе условия квазинейтральности, при котором отсутствуют ограничения на число частиц (ток ионов), связанные с собственным объемным зарядом ионного потока. Кроме того, необходимо стремиться к обеспечению минимальной ширины распределения ионов по энергии для сохранения продольного размера масс-сепаратора ПОМС-Е-3.

Целью данного изобретения является увеличение по сравнению с существующим уровнем плотности ионов, проходящих через магнитный барьер азимутатора, с сохранением имеющегося минимально возможного продольного размера плазмооптического масс-сепаратора L_max, который можно определить по формуле: где ν_max - максимальная скорость ионов в спектре; ν_ϕ - скорость, приобретаемая ионом в азимутаторе, R - радиус центральной траектории иона в сепарирующем пространстве ПОМС-Е-3 [Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Кичигин Г.Н., Строкин Н.А. Трех-компонентное плазмооптическое разделение отработанного ядерного топлива // Известия вузов. Ядерная энергетика, 2011. - №2. - С. 3-9].

Известен способ формирования пучка ионов в плазмооптическом масс-сепараторе [Морозов А.И. Введение в плазмо динамику. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - С. 264]; Фиг. 2 поясняет данный способ.

Известный способ включает:

1) создание в плазменном ускорителе аксиально-симметричного плазменного потока, компенсированного по пространственному заряду;

2) транспортировку плазменного потока к входной щели азимутатора;

3) создание в области азимутатора поперечного скорости плазменного потока магнитного поля, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам.

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

1) создание в плазменном ускорителе аксиально-симметричного плазменного потока, компенсированного по пространственному заряду;

2) создание в области азимутатора поперечного скорости плазменного потока магнитного поля, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам.

Недостатком известного способа является:

1) в области азимутатора происходит нарушение квазинейтральности -электроны «останавливаются» на границе азимутатора со стороны плазменного ускорителя; далее через азимутатор идут только ионы; количество ионов, прошедших азимутатор, значительно меньше их числа в плазменном ускорителе из-за влияния амбиполярного электрического поля, возникающего из-за разделения ионов и электронов на границе азимутатора и собственного пространственного заряда пучка положительно заряженных ионов, вызывающего рассеяние, уход ионов пучка с основной траектории.

Известно устройство формирования пучка ионов в плазмооптическом масс-сепараторе [Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 576 с.]; Фиг. 2 поясняет данное устройство.

Известное устройство содержит:

1) плазменный ускоритель, включающий последовательно по ходу плазменного потока расположенные анод и катод;

2) дрейфовое (пролетное) пространство между плазменным ускорителем и азимутатором;

3) азимутатор.

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

1) плазменный ускоритель;

2) азимутатор.

Недостатками известного устройства являются:

1) в области дрейфового (пролетного) пространства между плазменным ускорителем и азимутатором поток плазмы пространственно (радиально) уширяется, что приводит к частичной потере частиц на стенках камеры дрейфового пространства;

2) в области азимутатора происходит нарушение квазинейтральности -электроны «останавливаются» на границе азимутатора со стороны плазменного ускорителя; далее через азимутатор идут только ионы; количество ионов, прошедших азимутатор, значительно меньше их числа в плазменном ускорителе из-за влияния амбиполярного электрического поля, возникающего из-за разделения ионов и электронов на границе азимутатора и собственного пространственного заряда пучка положительно заряженных ионов, вызывающего рассеяние, уход ионов пучка с основной траектории.

Прототипом заявляемого способа и устройства является способ и устройство, изложенные в работе [Бардаков В.М., Иванов С.Д., Казанцев А.В., Строкин Н.А. Формирование потока ионов в плазмооптическом масс-сепараторе // Тезисы докладов XL Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Звенигород, 10-14 февраля 2014 г. - М.: ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2014. - С. 262].

Известный способ включает:

1) создание аксиально-симметричного плазменного потока, компенсированного по пространственному заряду, в двухкамерном плазменном ускорителе;

2) создание в ПУ ускоряющего ионы продольного электрического поля путем подачи положительного потенциала U_A1 на анод-1, подачи положительного потенциала U_A2 на анод-2, причем и подачи потенциала U_К=0 (катод заземляется) на катод, совмещенный с азимутатором (см. Фиг. 1).

3) создание в области азимутатора поперечного скорости плазменного потока магнитного поля, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам.

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

1) создание аксиально-симметричного плазменного потока, компенсированного по пространственному заряду, в двухкамерном плазменном ускорителе;

2) подача на анод ПУ положительного электрического потенциала U_A, задающего энергию ионов;

3) подачу на катод - выходной электрод плазменного ускорителя нулевого электрического потенциала (заземление катода);

4) создание в области азимутатора поперечного скорости плазменного потока магнитного поля, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам.

Недостатком известного способа является:

1) в области азимутатора происходит нарушение квазинейтральности -электроны «останавливаются» на границе азимутатора со стороны плазменного ускорителя; далее через азимутатор идут только ионы; количество ионов, прошедших азимутатор, значительно меньше их числа в плазменном ускорителе из-за влияния амбиполярного электрического поля, возникающего из-за разделения ионов и электронов на границе азимутатора и собственного пространственного заряда пучка положительно заряженных ионов, вызывающего рассеяние, уход ионов пучка с основной траектории.

Известно устройство формирования пучка ионов в плазмооптическом масс-сепараторе [Бардаков В.М., Иванов С.Д., Казанцев А.В., Строкин Н.А. Формирование потока ионов в плазмооптическом масс-сепараторе // Тезисы докладов XL Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Звенигород, 10-14 февраля 2014 г. - М.: ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2014. - С. 262].

Известное устройство содержит:

1) двухкамерный плазменный ускоритель, включающий последовательно по ходу плазменного потока расположенные анод-1, анод-2 и катод;

2) азимутатор, совмещенный с катодом плазменного ускорителя.

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

1) двухкамерный плазменный ускоритель;

2) азимутатор.

Обычно двухкамерный плазменный ускоритель с анодным слоем применяется в тех случаях, когда необходимы высокие скорости истечения ионов. Основная отличительная способность этих ускорителей состоит в том, что в них используется два последовательно включенных анодных слоя, первый из которых выполняет функцию источника ионов, а второй - ускорительной ступени. Низковольтная граница первой ступени служит и высоковольтной границей второй ступени. Переходная зона между ступенями практически отсутствует [Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов // М.: Машиностроение, 1989. - 216 с.].

Недостатком известного устройства является:

1) в области азимутатора происходит нарушение квазинейтральности -электроны «останавливаются» на границе азимутатора со стороны ПУ; далее через азимутатор идут только ионы; количество ионов, прошедших азимутатор, значительно меньше их числа в ПУ из-за влияния амбиполярного электрического поля, возникающего из-за разделения ионов и электронов на границе азимутатора и собственного пространственного заряда пучка положительно заряженных ионов, вызывающего рассеяние, уход ионов пучка с основной траектории.

Технический результат заявляемых способа формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройства для его осуществления заключается в расширении возможностей плазмооптических масс-сепараторов с точки зрения их практического использования за счет минимизации потерь ионов при прохождении азимутатора в процессе разделения их по массам в результате обеспечения в азимутаторе условия квазинейтральности, при котором отсутствуют ограничения на число частиц (ток ионов), связанные с амбиполярным электрическим полем и собственным объемным зарядом ионного потока, при сохранении минимально возможной ширины спектра ионов по энергии, что обеспечит минимально возможный продольный размер плазмооптического масс-сепаратора.

Технический результат достигается тем, что в способе формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора аксиально-симметричный плазменный поток, компенсированный по пространственному заряду, создают в двухкамерном плазменном ускорителе; на анод-1 плазменного ускорителя подается положительный электрический потенциал U_A1, задающий энергию ионов; на анод-2 (выходной электрод) плазменного ускорителя подается нулевой электрический потенциал (анод-2 заземляется); на расположенный между анодом-1 и анодом-2 азимутатор-катод подается отрицательный относительно анода-1 и анода-2 электрический потенциал U_АЗ такой величины, при котором обеспечивается горение разряда в скрещенных продольном электрическом и радиальном магнитном полях (Е×В-разряда) в обеих камерах плазменного ускорителя, причем градиенты радиального магнитного поля в обеих камерах направлены к азимутатору-катоду, обеспечивая набор энергии электронами до значений, превышающих потенциалы ионизации атомов рабочих газов, что, в свою очередь, обеспечивает устойчивость горения Е×В-разряда в обеих камерах; расстояния между анодом-1 и азимутатором-катодом Δ₁ и азимутатором-катодом и анодом-2 Δ₂ выполняются, исходя из условия Δ₁ > 2ρ_е и Δ₂ > 2ρ_е, где ρ_е - циклотронный радиус электронов, вычисляемый по дрейфовой скорости и циклотронной частоте где дрейфовая скорость циклотронная частота где Е - напряженность электрического поля в соответствующем разрядном промежутке, В - индукция магнитного поля в соответствующем разрядном промежутке, m_e - масса электрона; в области азимутатора-катода создается поперечное (радиальное) скорости плазменного потока магнитное поле, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам; энергетическая ширина спектра ионов ΔW ≤ eU_A1 при любом соотношении между потенциалами анода-1 и азимутатора-катода.

Технический результат достигается тем, что в устройстве формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора первая камера плазменного ускорителя представляет собой промежуток анод-1 - азимутатор-катод, вторая камера - промежуток азимутатор-катод - анод-2, причем материал анода-1 и анода-2 двухкамерного плазменного ускорителя является немагнитным, а материал азимутатора-катода - ферромагнитным.

Преимуществом предлагаемого способа формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройства для его осуществления по сравнению с прототипом является увеличение по сравнению с прототипом плотности ионов, проходящих через магнитный барьер азимутатора-катода; при этом продольный размер масс-сепаратора ПОМС-Е-3 не изменяется.

Заявляемый способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройства для его осуществления поясняются чертежами, приведенными на Фиг. 1÷6.

На Фиг. 1 приведена схема плазмооптического масс-сепаратора ПОМС-Е. Обозначены элементы устройства, даны траектории ионов трех масс в сепарирующем пространстве, основные размеры масс-сепаратора и показана геометрия магнитного поля азимутатора. Здесь позиция 1 - азимутатор; 2 -катушки для создания магнитного поля; 3 - магнитный сердечник; 4 - газораспределитель с буферным объемом; 5 - полый анод; 6 - компенсатор пространственного заряда ионного потока; 7 - система создания продольного магнитного поля в сепарирующем объеме; 8, 10 и 11 - система создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме; 8-10 - коллекторы элементов, разделенных по массе. В плазмооптический масс-сепаратор ПОМС-Е, как часть, входит и устройство формирования пучка ионов. В данном случае это элементы, отмеченные позициями 1-5.

На Фиг. 2 дана схема плазмооптического масс-сепаратора ПОМС-Е [Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - с. 265, рис. 5.7.4], система формирования потока ионов которого принята в качестве аналога, с обозначением элементов устройства, траекторий ионов и направлений электрического и магнитного полей в сепарирующем объеме ПОМС-Е: 12 - кольцевой плазменный ускоритель - источник ионов, 13 -азимутатор, 14 - сепарирующий объем, 15 - наружный цилиндрический положительный электрод, 16 - внутренний отрицательный электрод, 17 - приемники ионов разделенных масс (М₁ М₂ - державки приемников), 18 - катушки слабого магнитного поля Но в сепарирующем объеме, 19 - траектории ионов, вышедших из одной точки кольцевой щели.

На Фиг. 3 приведена схема системы формирования потока ионов «анод-1 - азимутатор-катод - анод-2» двухкамерного плазменного ускорителя по данной заявке на изобретение с указанием электродов плазменного ускорителя: 20 - анод-1; 21 - полюсы азимутатора-катода; 22 - кольца анода-2; 23 - газораспределитель; 24 - изоляторы (показана часть аксиально-симметричной системы).

На Фиг. 4 с привязкой к электродам системы «анод-1 - азимутатор-катод - анод-2» приведены примеры распределения расчетных значений радиальной индукции магнитного поля и вакуумное (без плазмы) распределение электрического потенциала; обозначены расстояния между электродами.

На Фиг. 5 приведены результаты изучения эволюции функции распределения по энергии ионов аргона при прохождении ими азимутатора-катода как при положительных, так и отрицательных значениях электрического потенциала на азимутаторе-катоде; даны также величины параметров электрического и магнитного полей, при которых эти измерения были сделаны.

На Фиг. 6 сравниваются энергетические спектры ионов аргона при положительном и отрицательном значениях потенциала на азимутаторе-катоде, по которым для этих двух случаев вычислено отношение плотностей ионов, прошедших через магнитный барьер азимутатора-катода.

Устройство, схема которого приведена на Фиг. 3, содержит последовательно по ходу пучка ионов от анода-1 (позиция 20 на Фиг. 3) к аноду-2 (позиция 22) расположенные две камеры ПУ, которые формируются последовательно расположенными анодом-1 (позиция 1), азимутатором-катодом (позиция 21) и анодом-2 (позиция 22); первая камера ПУ формируется анодом-1 (позиция 20), выполненным из немагнитного материала, и азимутатором-катодом (позиция 21), выполненным из ферромагнитного материала, вторая камера ПУ формируется азимутатором-катодом (позиция 21) и анодом-2 (позиция 22), выполненным из немагнитного материала. Рабочий газ в ПУ подается через газораспределитель (позиция 23); для электрической изоляции азимутатора-катода и анода-2 между ними расположены изоляторы (позиция 24).

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Е×В разряд в скрещенных радиальном магнитном и продольном (вдоль оси ПУ) электрическом полях поджигается и устойчиво горит при значениях индукции магнитного поля в области анода-1 B_A ≥ 0,03 Тл, что соответствует индукции в центре азимутатора-катода В_АЗ ≥ 0,11 Тл, значениях положительного электрического потенциала на аноде-1 U_A1 ≥ +400 В и отрицательного потенциала на азимутаторе-катоде U_АЗ-К ≥ |-500| В при соблюдении условия |U_A1| ≥ |U_АЗ-К| (см. Фиг. 4) в диапазоне давления рабочего газа, например аргона, измеренного на выходе из ПУ, 5⋅10^-5 Торр ≤ Р ≤ 20⋅10^-5 Торр.

Изменяя величину магнитного поля, «управляют» положением в разрядных промежутках зон ионизации и распределением потенциала. При оптимальном по выходному ионному току значении индукции B_r магнитного поля зона максимальной скорости ионизации рабочего газа находится примерно в центре разрядного промежутка, максимум распределения потенциала совпадает с данной областью. Заметная ионизация есть и на всей длине разрядного промежутка. При приближении B_r к верхней границе горения Е×В разряда, зона ионизации смещается к аноду-1 (камера 1) или к аноду-2 (камера 2), что приводит к росту энергии максимума ионной функции распределения и формированию спектра, близкого к пучковому с энергетическим разбросом много меньшим энергии максимума спектра.

В области азимутатора-катода создается поперечное (радиальное) скорости плазменного потока магнитное поле, величина которого выбирается из заданного значения коэффициента разделения ионов по массам.

Ионы из камеры 1 ПУ ускоряются по направлению к азимутатору-катоду и, проходя через пространство азимутатора-катода, приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам. Ионы из камеры 2 ПУ ускоряются по направлению к азимутатору-катоду, набирают энергию, достаточную для прохождения через магнитный барьер азимутатора-катода. Далее в электрическом поле первой камеры эти ионы тормозятся, отражаются, так как |U_A1| ≥ |U_АЗ-К|, и двигаются в обратном направлении вместе с ионами, рожденными в камере 1, к выходу из двухкамерного ПУ. Энергетическая ширина спектра ионов ΔW определяется потенциалом анода U_A1 и не зависит от потенциала азимутатора-катода: ΔW ≤ eU_A1.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Первая камера плазменного ускорителя представляет собой промежуток анод-1 - азимутатор-катод, вторая камера - промежуток азимутатор-катод - анод-2, причем материал анода-1 и анода-2 двухкамерного плазменного ускорителя является немагнитным, а материал азимутатора-катода -ферромагнитным. Продольные размеры (длины) камер выполнены следующими: анод-1 - азимутатор-катод Δ₁ = 8 мм, азимутатор-катод - анод-2 А₂ = 5 мм, что значительно превышает циклотронный радиус электронов ρ_е ~ 0,25 ÷ 0,02 мм, который вычисляется по дрейфовой скорости и циклотронной частоте: , где дрейфовая скорость циклотронная частота , где Е - напряженность электрического поля в соответствующем разрядном промежутке, В - индукция магнитного поля в соответствующем разрядном промежутке, m_e - масса электрона. В таких условиях энергия W_e, набираемая электронами в электрическом поле напряженностью Е (анод-азимутатор Е_А1-AЗ-К или азимутатор-анод-2 Е_АЗ-К-А2) в процессе дрейфа в скрещенных полях на длине h ≈ 2ρ_е (h - высота циклоиды - размер вдоль Е), определяемая как W_e ≈ eEh, превышает потенциалы ионизации ϕ_i рабочих газов (для аргона ϕ_i ≈ 15,5 эВ). Важно отметить, что градиенты радиального магнитного поля в обеих камерах направлены к азимутатору-катоду, то есть величины индукции магнитного поля на аноде-1 камеры 1 и на аноде-2 камеры 2 меньше, чем в азимутаторе-катоде. Этим обеспечивается «удлинение» высоты циклоиды при движении в спадающем по величине магнитном поле, увеличение W_e, что, в свою очередь, обеспечивает устойчивое горение Е×В-разряда в обеих камерах. Токи разряда в первой I_P1 и второй I_P2 камерах определяются режимом горения разряда (величинами напряженности электрического и индукции магнитного полей) и соотношение между ними может быть как I_P1 ≥ I_P2, так и I_P1 ≤ I_P2.

Результаты формирования потока ионов по заявляемому способу и устройству иллюстрируются данными измерений функций распределения ионов на выходе из системы формирования (Фиг. 5, Фиг. 6). Измерения проводились с помощью энергоанализатора с задерживающим потенциалом.

На Фиг. 5 приведен набор энергетических спектров, полученных при различных значениях потенциала азимутатора (на аноде потенциал сохраняется неизменным). Увеличение величины потенциала на азимутаторе с его переходом с отрицательных значений на положительные приводит наиболее заметно к обеднению энергетических спектров, как и следовало ожидать, в диапазоне низких энергий. Максимальное число ионов (площадь под кривой), прошедших азимутатор, наблюдается в случае отрицательного потенциала на азимутаторе U_АЗ-К = -125 В.

На Фиг. 6 приведены энергетические спектры при положительном и отрицательном потенциалах на азимутаторе и для них рассчитано соотношение плотностей прошедших ионов, которое равно n₁/n₂ ≈ 2,6. То есть, эффективность системы формирования потока ионов «анод-1 - азимутатор-катод -анод-2» в двухкамерном ПУ в случае отрицательного потенциала на азимутаторе в данном примере оказалась в 2,6 раза более высокой по сравнению с традиционным исполнением «анод-1-анод-2-катод) двухкамерного ПУ.

Таким образом, преимуществом предлагаемого способа формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройства для его осуществления по сравнению с прототипом является увеличение плотности ионов, проходящих через магнитный барьер азимутатора-катода.

Изобретение относится к средствам разделения многокомпонентных смесей на элементы путем масс-сепарации. Предусмотрены создание в двухкамерном плазменном ускорителе аксиально-симметричного плазменного потока, компенсированного по пространственному заряду, подача на анод плазменного ускорителя положительного электрического потенциала U_A1, задающего энергию ионов, подача на катод - выходной электрод плазменного ускорителя нулевого электрического потенциала, создание в области азимутатора поперечного скорости плазменного потока магнитного поля, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам. Причем электроды в плазменном ускорителе располагаются в последовательности анод-1 - азимутатор-катод - анод-2, на расположенный между анодом-1 и анодом-2 азимутатор-катод подается отрицательный относительно анода-1 и анода-2 электрический потенциал U_АЗ-К такой величины, при котором обеспечивается горение Е×В-разряда в обеих камерах плазменного ускорителя, причем |U_A1| ≥ |U_АЗ-К|. Радиальное магнитное поле выполняется таким образом, чтобы градиенты радиального магнитного поля в обеих камерах были направлены к азимутатору-катоду. Техническим результатом является минимально возможный продольный размер плазмооптического масс-сепаратора за счет минимизации потерь ионов при прохождении азимутатора, снятия ограничений на число частиц (ток ионов), связанных с амбиполярным электрическим полем и собственным объемным зарядом ионного потока, при сохранении минимально возможной ширины спектра ионов по энергии. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора, включающий создание в двухкамерном плазменном ускорителе аксиально-симметричного плазменного потока, компенсированного по пространственному заряду, подачу на анод плазменного ускорителя положительного электрического потенциала U_A1, задающего энергию ионов, подачу на катод - выходной электрод плазменного ускорителя нулевого электрического потенциала, создание в области азимутатора поперечного скорости плазменного потока магнитного поля, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам, отличающийся тем, что электроды в плазменном ускорителе располагаются в последовательности анод-1 - азимутатор-катод - анод-2, на расположенный между анодом-1 и анодом-2 азимутатор-катод подается отрицательный относительно анода-1 и анода-2 электрический потенциал такой величины, при котором обеспечивается горение Е×В-разряда в обеих камерах плазменного ускорителя, причем , радиальное магнитное поле выполняется таким образом, чтобы градиенты радиального магнитного поля в обеих камерах были направлены к азимутатору-катоду, то есть величины индукций магнитного поля на аноде-1 и аноде-2 должны быть меньше, чем на азимутаторе-катоде, расстояния между анодом-1 и азимутатором-катодом Δ₁ и азимутатором-катодом и анодом-2 Δ₂ выполняются, исходя из условия

,

где ρ_e - циклотронный радиус электронов, вычисляемый по дрейфовой скорости и циклотронной частоте

,

где дрейфовая скорость

,

циклотронная частота

,

где Е - напряженность электрического поля в соответствующем разрядном промежутке,

В - индукция магнитного поля в соответствующем разрядном промежутке, m_e - масса электрона.

2. Устройство формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора, содержащее двухкамерный плазменный ускоритель и азимутатор, отличающееся тем, что первая камера плазменного ускорителя представляет собой промежуток анод-1 - азимутатор-катод, вторая камера - промежуток азимутатор-катод - анод-2, причем материал анода-1 и анода-2 двухкамерного плазменного ускорителя является немагнитным, а материал азимутатора-катода - ферромагнитным.