Способ подавления изотопного загрязнения при разделении изотопов химических элементов в электромагнитном сепараторе Российский патент 2020 года по МПК B01D59/48 

Изобретение относится к технологии разделения изотопов химических элементов в электромагнитном сепараторе, а точнее к способам и устройствам электромагнитного разделения стабильных изотопов химических элементов, позволяющим регулировать, в том числе подавлять изотопное загрязнение для повышения уровня обогащения ключевых, приоритетных изотопов при сохранении или повышении производительности.

Известен способ разделения изотопов химических элементов, применяемый для промышленного электромагнитного разделения изотопов (Н.А. Кащеев, В.А. Дергачев. «Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ». М., «Энергоатомиздат», 1989 г.)

Рабочее вещество загружают в тигель источника ионов и нагревают до образования пара. Пар рабочего вещества поступает в газоразрядную камеру, где ионизируется электронным ударом. Ионно-оптической системой источника ионы вытягиваются из газоразрядной камеры и выбрасываются в разделительную камеру с поперечным плоскопараллельным неоднородным магнитным полем, где радиус траектории ионов зависит, при прочих равных условиях, от отношения массы иона к его заряду. В плоскости фокусировки монозарядных ионов устанавливают приемник ионов для улавливания изотопных пучков.

Позиционирование масс-спектра 1 (фиг.1) относительно входных щелей соответствующих коробок приемника ионов 2 производят при помощи системы индикации приемника ионов. Система индикации состоит из:

- основного настроечного электрода 3, который определяет положение масс-спектра относительно входных щелей коробок приемника ионов. Показателем фокусировки ионного пучка считают отношение ионного тока на приемнике ионов к ионному току регистрируемого основным настроечным электродом.

- дополнительных настроечных электродов «легкого» репера 4 и «тяжелого» репера 5, которые помогают сориентировать масс-спектр относительно входных щелей приемника ионов.

Систему индикации подбирают в зависимости от таких свойств разделяемого химического элемента как его масса, число стабильных изотопов и их естественная распространенность. Соответственно, в случае, когда дисперсия (расстояние между соседними изотопными пучками) достаточно велика основной настроечный электрод 3 выполнен в виде диафрагмы (фиг.1), при небольшом значении дисперсии - в виде прутка (фиг.2). Форма и материал дополнительных настроечных электродов также может быть различна.

Недостатки способа:

- система индикации приемника ионов, как правило, построена относительно изотопа с наибольшей концентрацией в природной смеси. Фокусировка и захождение в соответствующие карманы приемника ионных пучков изотопов с малым природным содержанием не контролируется.

- установленные в разделительной камере 6 (фиг.3) перегородки 7 предназначены, в первую очередь, для защиты внутрикамерного оборудования от разрушения высокоэнергетичными полизарядными ионными пучками 8 и 9 (соответственно двух- и трех-зарядные ионные пучки), и лишь частично ограничивают негативные для разделения изотопов процессы в монозарядных ионных пучках 10 такие, как рассеяние, хроматизм, перезарядка ионов, а также увеличение плотности нейтральных паров рабочего вещества в области приемников ионов 11, которые при увеличении ионного тока источников ионов 12 значительно возрастают. Поэтому, для получения материала высокообогащенного по изотопу намеренно понижают ионный ток источника ионов, с целью снижения изотопного загрязнения, чем уменьшают возможную производительность электромагнитного сепаратора.

Известен способ получения высокообогащенных изотопов с малым природным содержанием при их разделении в электромагнитном сепараторе (Патент на изобретение №2193914, приоритет от 20.08.2001).

Опробацию способа осуществили при разделении изотопов лютеция. Система индикации приемника ионов лютеция представлена на фиг.4. Здесь отсутствует основной настроечный электрод, но его функцию выполняет совокупность двух дополнительных настроечных электрода 4 и 5. Степень фокусировки масс-спектра определяли по отношению ионного тока приемника ионов к сумме ионных токов, регистрируемых настроечными электродами 4 и 5. Дополнительный настроечный электрод 13 использовали для проверки наличия области ионного разрежения (область минимального ионного тока на электроде) между двумя изотопными пучками лютеций-175 и лютеций-176, которую производили один раз в 15 минут. В результате получили материал, в среднем обогащенный по лютецию-176 на 75,7%.

Недостатки способа:

- низкое обогащение продукта по лютецию-176;

- отсутствие непрерывного контроля наличия области ионного разрежения между изотопными пучками лютеций-175 и лютеций-176, что допускает работу приемника ионов без необходимой фокусировки;

- отсутствуют системы, методики, устройства для снижения влияния факторов изотопного загрязнения.

Известен способ разделения изотопов иттербия в электромагнитном сепараторе с использованием источника ионов (патент на изобретение №2158170, приоритет от 01.11.1999)

Авторы использовали следующую систему индикации (фиг.5). Основной настроечный электрод 3 установлен между соседними пиками двух близких по концентрации в природной смеси изотопов иттербий-172 и иттербий-173. Назначение дополнительного настроечного электрода 14 - контроль захождения крайнего изотопного пучка иттербий-176. В результате получили среднее обогащение по иттербию-176 - 97,3%.

Недостатки способа:

- низкое обогащение продукта по иттербию-176;

- отсутствуют системы, методики, устройства для снижения влияния факторов изотопного загрязнения.

Наиболее близким к заявляемому является способ промышленного электромагнитного разделения изотопов химических элементов (Патент на изобретение №2183985, приоритет от 02.02.2000).

Способ использовали при разделении изотопов кальция. Для повышения коэффициента однократного разделения при получении изотопов с малой концентрацией в природной смеси, таких как кальций-48 использовали передвижной экран, который вводили в тело монозарядного ионного пучка, тем самым, снижали концентрацию доминирующего изотопа кальций-40 в области приемника ионов. Работа разделительной камеры, в данном случае, возможна только в однолучевом режиме (один источник ионов, один приемник ионов).

Систему индикации (фиг.6) приемника ионов кальция построили относительно наиболее распространенного (за исключением кальция-40) в природной смеси изотопа кальций-44. Дополнительные настроечные электроды 15 и 16 контролируют степень фокусировки и захождение в приемный карман изотопных пучков кальций-48 и кальций-42 соответственно.

В результате получили среднее обогащение по кальцию - 48-90%.

Недостатки способа:

- чрезвычайно низкая производительность электромагнитного сепаратора по наработке кальция-48. Намеренно снижен ионный ток источника ионов с целью получения материала более высокого обогащения по изотопу;

- невозможность использования разделительной камеры в двухлучевом режиме работы, что снижает возможную производительность в 2 раза.

При создании способа подавления изотопного загрязнения при разделении изотопов химических элементов в электромагнитном сепараторе ставилась задача повысить обогащение по ключевым, приоритетным изотопам при сохранении/увеличении прежнего уровня производительности разделительной установки.

Технический результат достигается за счет использования многоступенчатого ограждения области улавливания изотопов по границе тела монозарядного ионного пучка, двухступенчатым ограждением входной щели приемного кармана приоритетного изотопа щелевой диафрагмой, а также непрерывного контроля полного совмещения отпечатка приоритетного изотопного пучка в точке фокуса с входной щелью соответствующего приемного кармана и степени его фокусировки.

Способ опробован на процессах разделения изотопов лютеция, кальция, иттербия. Достигнуто увеличение среднего обогащения по следующим приоритетным изотопам:

- лютеций-176 - с 75,7% до 82,57%;

- иттербий-176 - с 97,3% до 99,63%;

- кальций-48 - с 90% до 98,3%.

Для понижения влияния таких факторов изотопного загрязнения как рассеяние, хроматизм, перезарядка ионов пучка, а также для ограничения дрейфа нейтральных паров рабочего вещества предлагается в разделительной камере устанавливать внутрикамерные перегородки 7 по границе тел монозарядных ионных пучков 5 как показано на фиг.7.

Систему индикации предлагается корректировать таким образом, чтобы, даже несмотря на возможные вариации исполнения приемника ионов, конструкция и положение основного настроечного электрода гарантировала полное совпадение отпечатка ионного пучка приоритетного изотопа с входной щелью соответствующего приемного кармана и непрерывно определяла достаточность его фокусировки.

Для снижения факторов изотопного загрязнения вызываемых взаимодействием ионов пучка с поверхностью приемника ионов предлагается ограничивать входную щель приемного кармана приоритетного изотопа щелевой диафрагмой 17 (фиг.8). Здесь щелевая диафрагма - это совокупность двух пластин, ограничивающих входную щель приемного кармана с «легкой» и «тяжелой» стороны по всей длине отпечатка изотопного пучка, при этом высота (h) ограничивающих пластин должна быть:

d<h<2d

где:

d - дисперсия (расстояние между центрами соседних изотопных пучков).

Для пояснения изобретения ниже представлены примеры осуществления способа подавления изотопного загрязнения при разделении изотопов иттербия, кальция и лютеция в электромагнитном сепараторе.

Для эксперимента использовалась одна из разделительных камер электромагнитного сепаратора СУ-20 комбината «Электрохимприбор», г. Лесной, Свердловской области. Разделение производилось при одновременной работе двух источников ионов и двух приемников ионов (2х лучевой режим работы разделительной камеры).

Общим для процессов разделения изотопов иттербия, кальция и лютеция является угол раствора ионного пучка на выходе из ионно-оптической системы источника ионов, равный 30°. Отсюда и одинаковое расположение внутрикамерных перегородок 7 (фиг.7).

Особенности процесса разделения изотопов иттербия.

Иттербий имеет семь стабильных изотопов. Приоритетным, в нашем случае, является изотоп иттербий-176. Соответственно, систему индикации приемника ионов выстроили относительно ионного пучка изотопа иттербий-176 (фиг.9). Здесь основным настроечным электродом, определяющим положение масс-спектра относительно входных щелей приемника ионов и его фокусировку, является совокупность двух дополнительных настроечных электродов 14 и 5. В связи с тем, что иттербий-176 является краевым в изотопной плеяде необходимость в «тяжелой» половинке щелевой диафрагмы 17 (фиг.8) отсутствует. В данном случае, целесообразно использование только «легкой» ее части 18 (фиг.9).

Подход к построению системы индикации и щелевой диафрагмы для процессов разделения изотопов кальция (фиг.10) и лютеция (фиг.11) идентичен.

В таблице 1 для сравнения приведены основные показатели существующих способов разделения изотопов иттербия, кальция, лютеция и по заявляемому техническому решению:

Изобретение относится к способу подавления изотопного загрязнения при разделении изотопов химических элементов в электромагнитном сепараторе. Способ включает размещение в разделительной камере перегородок по границе тела ионного монозарядного пучка, двухступенчатое ограничение щелевой диафрагмой входной щели приемного кармана в области приема ионного пучка приоритетного изотопа и осуществление позиционирования плеяды изотопных ионных пучков относительно ионного пучка приоритетного изотопа до полного совмещения отпечатка приоритетного изотопного ионного пучка в точке фокуса с входной щелью соответствующего приемного кармана. Изобретение обеспечивает контроль и подавление изотопного загрязнения, повышение уровня обогащения приоритетных изотопов при сохранении или увеличении уровня производительности разделительной установки. 11 ил., 1 табл.

Способ подавления изотопного загрязнения при разделении изотопов химических элементов в электромагнитном сепараторе, отличающийся тем, что в разделительной камере устанавливают внутрикамерные перегородки по границе тела ионного монозарядного пучка, в области приема ионного пучка приоритетного изотопа устанавливают двухступенчатое ограничение входной щели приемного кармана щелевой диафрагмой, а позиционирование плеяды изотопных ионных пучков (масс-спектра) осуществляют относительно ионного пучка приоритетного изотопа до полного совмещения отпечатка приоритетного изотопного ионного пучка в точке фокуса с входной щелью соответствующего приемного кармана.