ИСТОЧНИК ИОНОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МАСС-СЕПАРАТОРА ИЗОТОПОВ ТРАНСУРАНОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2023 года по МПК H01J27/00 H01J3/04 H01J37/08 

Изобретение относится к источникам ионов и может быть использовано в технологии электромагнитного разделения изотопов трансурановых элементов.

Актуальность проблемы основана на необходимости использования в традиционных источниках ионов для промышленного электромагнитного разделения изотопов устройств с повышенной разрешающей способностью для достижения высокой эффективности процесса Это было продиктовано тем, что такие источники ионов были, как правило, основаны на конструкции калютрона (J. Koch. Electromagnetic isotope separators and applications of electromagnetically enriched isotopes. North-Holland. Amsterdam. 1958), представляющего собой масс-спектрометр, применявшийся ранее для разделения или обогащения изотопов урана в микрограммовом измерении, потребляющий много энергии и характеризующиеся низкой производительностью. Главным ограничением в их использовании являлась склонность к «шумящему» разряду, которая ведет к уменьшению степени нейтрализации пространственного заряда пучка и требует тщательной оптимизации параметров разряда для достижения существования спокойной плазмы. В случае необходимости достижения эффективного разделения изотопов требуется высокая разрешающая способность.

Из уровня техники известно устройство источника ионов, относящегося к ускорительной технике (патент РФ №2716823, МПК H01J 27/22, публ. 17.03.2020 г.), включающее эммитерный узел, в составе которого имеется катодный электрод из высокопроводного металла, на который нанесены последовательно слои рабочего вещества (щелочно-земельного или редкоземельного металла) и твердого электролита на основе керамики, и слой углерода в качестве материала анода. В результате работы устройства повышается эффективность процесса за счет формирования потоков ионов высокой интенсивности и плотности ионного тока с заданной зарядностью (образуются двухзарядные ионы металлов), за счет чего повышается эффективность использования рабочего вещества.

Известен источник ионов (патент РФ №2034336, МПК H01J 37/08, публ. 30.04.1995 г.), содержащий разрядную камеру, катод, анод и электрод отражателя при использовании осциллирующего режима дугового разряда.

Известен в качестве прототипа заявляемого устройства источник ионов Фримана, используемый для разделения изотопов в 180° электромагнитном масс-сепараторе, в котором разрядная камера, тигель с рабочим веществом и нагреватели объединены в единый блок, устанавливаемый на унифицированной базовой конструкции (А.I. Kolosov, et al. Ions sources of solids tor the mass-separator "KINRIS". "Problems of atomic science and technology". 2008. №5. p. 81-84). Для создания необходимого давления паров рабочего вещества и устойчивого горения разряда, газоразрядная камера и тигель с рабочим веществом нагреваются тепловым излучением от двух цилиндрических нагревателей активного сопротивления со спиралью из никелевой хромированной проволоки (NiCr 20/80) с мощностью подогрева до 1250 Вт. Газоразрядная камера и тигель с рабочим веществом соединены паропроводом. В данном источнике скорость поступления паров рабочего вещества регулируется только мощностью подогрева нагревателей, что допускает более существенные потери рабочего вещества в переходный период. Присутствуют также значительные сложности при замене рабочего вещества, в источнике ионов и его ремонте копирующими манипуляторами.

К недостаткам известных аналогов относится достаточно высокая сложность устройств и как следствие недостаточно высокая надежность работы.

Техническим результатом является применение ионного источника для разделения изотопов трансурановых элементов (включая калифорний), упрощение конструкции источника ионов, повышение надежности его работы и увеличение эффективности использования рабочего вещества, подаваемого в разрядную камеру источника ионов.

Указанный технический результат обеспечен тем, что, в отличие от известного источника ионов, содержащего газоразрядную камеру, термокатод с нитью накала, тигель с рабочим веществом и нагреватель, согласно изобретению нагреватель выполнен в виде плоского прямоугольного керамического элемента, расположенного за съемным плоским тиглем с рабочим веществом, одна из стенок которого является стенкой газоразрядной камеры.

В предложенном источнике ионов технический результат реализуется за счет применения плоского керамического нагревателя и съемного плоского тигля рабочим веществом, одна из стенок которого является стенкой газоразрядной камеры, что позволяет оптимизировать подачу рабочего вещества в разряд газоразрядной камеры, упрощает конструкцию и повышает надежность работы источника ионов.

Принципиальным отличием предлагаемой конструкции источника ионов Фримана является использование нагревателя выполненного в виде плоского прямоугольного керамического элемента, расположенного за съемным плоским тиглем с рабочим веществом, одна из стенок которого является стенкой газоразрядной камеры.

Предлагаемая конструкция источника ионов представлена на фиг. 1. Конструкция источника ионов включает в себя: компактный блок газоразрядной камеры 8; съемный тигель с рабочим веществом 1; плоский керамический нагревательный элемент 3; проволочный термокатод из танталовой проволоки диаметром 1,5 мм 9, расположенный параллельно эмиссионной щели 10 на расстоянии 4 мм; отражатели электронов из тантала 5; магнит 6, создающий магнитное поле напряженностью до 0,02 Тл параллельно эмиссионной щели; прямоугольная танталовая крышка 11 с эмиссионной щелью. Термокатод изолирован от газоразрядной камеры двумя изоляторами 7, изготовленными из нитрида бора. Для снижения тепловых потерь за счет излучения вокруг разрядной камеры размещен теплоотражающий экран. Температура в газоразрядной камере контролируется термопарой. Газоразрядная камера держится на токовводах. Для запуска ионного источника газ аргон подается по танталовой трубке в газораспределительную камеру 4 со множеством отверстий для равномерного поступления газа в газоразрядную камеру.

После зажигания газового разряда корпус газоразрядной камеры разогревается и пары хлорида рабочего вещества из полости через отверстие 2 начнут поступать в разряд. Основным источником нагрева служит излучение термокатода. Тонкая регулировка температуры разрядной камеры и поступления пара рабочего вещества в разряд осуществляется плоским нагревательным элементом.

Известно, что стоимость трансурановых элементов (таких как калифорний) очень высока, что предполагает использование в источниках ионов конструктивных решений, направленных на более эффективное использования рабочего вещества и минимизацию потерь. Эффективность использования вещества определяется режимами работы источника, и, в том числе, уменьшением потерь рабочего вещества, в процессе так называемого «переходного» режима от начала работы до выхода на рабочий режим. В данном источнике ионов минимизация потерь в течение времени «переходного» режима осуществляется изменением мощности плоского керамического нагревателя 3, расположенного за тиглем 1. Невысокая мощность такого нагревателя является преимуществом, поскольку позволяет при стандартных источниках питания более точно и плавно регулировать температуру нагревателя и газоразрядной камеры, что позволяет ускорить время выхода источника ионов на рабочий режим и уменьшить потери рабочего вещества за время «переходного» режима.

Возможность промышленной реализации предлагаемого источника ионов подтверждена следующим примером.

Пример 1. В лабораторных условиях были проведены экспериментальные исследования по использованию предлагаемого устройства источника ионов, выполненного как это показано на фиг. 1.

Первоначально осуществлялся запуск ионного источника путем подачи аргона в газораспределительную камеру 4, откуда газовый поток поступает в газоразрядную камеру 8. Затем проводили зажигание тепловым потоком, поступающим с керамического нагревательного элемента 3, подогреваемого теплом при излучении термокатода 9. Температура в газоразрядной камере контролируется термопарой.

После зажигания газового разряда корпус газоразрядной камеры 8 с размещенным в ней рабочим веществом разогревается и пары хлорида металла рабочего вещества из полости тигля 1 через отверстие 2 поступают в разрядную камеру 8. Регулированием мощности нагрева керамического нагревателя 3, обеспечивающего нагрев тигля 1, достигается ускорение выхода источника ионов на рабочий режим, за счет чего минимизируются потери рабочего вещества за время «переходного режима».

Для данной конструкции источника ионов были проведены численные теплофизические расчеты, которые показали, что для предлагаемой конструкции ионного источника максимально достижимая температура нагрева тигля составляет 1070 К, что достаточно, в частности, для использования в качестве исходного вещества хлорида калифорния с температурой плавления 818 К и десорбции калифорния с поверхности стенок газоразрядной камеры.

Упрощение конструкции источника ионов и повышение надежности его работы достигается тем, что газоразрядная камера, тигель с рабочим веществом, плоский керамический нагреватель объединены в компактный блок, устанавливаемый на цилиндрических токовводах. Каждый из этих элементов конструктивно выполнен отдельно съемным, что позволяет производить полную разборку блока и/или быструю замену любого элемента копирующими манипуляторами. Это также упрощает замену тигля с отработанным рабочим веществом на новый с полной загрузкой без снятия всех остальных элементов.

Изобретение относится к источникам ионов и может быть использовано в технологии электромагнитного разделения изотопов. Технический результат - упрощение конструкции источника ионов, повышение надежности его работы и увеличение эффективности использования рабочего вещества, подаваемого в разрядную камеру источника ионов. Источник ионов включает в себя компактный блок газоразрядной камеры, термокатод с нитью накала, съемный плоский тигель с рабочим веществом, одна из стенок которого является стенкой газоразрядной камеры, плоский прямоугольный керамический нагревательный элемент, расположенный под дном тигля. 1 ил., 1 пр.

Источник ионов для электромагнитного масс-сепаратора изотопов трансурановых элементов, содержащий газоразрядную камеру, термокатод с нитью накала, тигель с рабочим веществом и нагреватель, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде плоского прямоугольного керамического элемента, расположенного под дном выполненного съемным плоского тигля с рабочим веществом, одна из стенок которого является стенкой газоразрядной камеры, при этом каждый из этих элементов выполнен съемным, с возможностью независимой замены элементов копирующими манипуляторами.