Способ диагностики компенсации заряда в ионных пучках магнитного сепаратора Советский патент 1990 года по МПК H01J49/26 

Изобретение относится к промышленному разделению (обогащения) стабильных химических элементов на изотопы, в частности к диагностике состояния компенсации электрического заряда в изотопных пучках сепараторов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения природы возникновения колебаний в изотопных пучках.

На фиг.1 дано устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство включает газоразрядную камеру 1 источника ионов, пластины 2, с помощью которых осуществляют вывод из пучка части электронов (пластины подключены к генератору 3 прямоугольных импульсов), устройство 4 в виде изолированных молибденовых стержней для измерения переменной и постоянной составляющих плотности тока пучка, подвижную установку 5 для комплексного измерения параметров пучка, устройство 6 для измерения потенциала пучка на середине его длины, пластины 7 для диагностики пучка, приемник 8 изотопных пучков, 9 источника. Эмитируемые катодом электроны через отверстия 10 вводятся в разрядную камеру. Образующиеся ионы через выходную щель

сл

00

4

СЛ О5

11 источника вводятся в камеру масс- Јепаратора в виде пучка 12. Импульс с генератора 3 и переменная или постоянная составляющие ионного- тока на приемнике 8 подаются на импульсный осциллограф 13.

Па Лиг.2 представлены: а - осциллограммы силы тока отдельного изотопного пучка Fc+; б - переменная составляющая тока Зк (показаны также йрямоугольные импульсы в нижних частях осциллограмм).

Для повышения производительности рри разделении изотопов в масс-сепа- Ј аторах используют пучки с высокой Интенсивностью ионных токов. Возни- ающий при этом объемный заряд компенсируется электронами, образующимися при взаимодействии быстрых ионов Пучка с молекулами остаточного газа, tip и значительной интенсивности воз- цикают колебания ионных токов. Эти Колебания могут быть вызваны различными причинами, например колебаниями тока разряда в источнике ионов. Если колебания связаны с локальным расширением пучков, то они могут привести к снижению качества разделения изотопов в электромагнитных установках. Вместе с тем колебательные явления могут возникнуть непосредственно и в пучковой плазме за источником ионов из-за пучковой кинематической неустойчивости плазмы самого пучка. Переменные во времени поля волн неустойчивости модулируют в токе пучка переменную составляющую. Знание природы возникновения колебаний в изотопных пучках позволяет повысить качество изотопной продукции и производительность электромагнитных установок.

Способ осуществляют следующим образом.

При выходе сепаратора на рабочий режим проводят измерения потенциала пучка и интенсивности тока изотопного пучка в карман приемника и его колебания. Далее осуществляют быстрый вывод части электронов компенсации из пучка импульсом положительног потенциала длительностью не более одной микросекунды из начального участка пучка с плотной пучковой плазмой с амплитудой свыше 25В.

Вывод электронов компенсации коротким положительным импульсом позвляет достоверно и непосредственно

5

0

5

0

5

0

5

0

5

установить, являются ли колебания в токе и плотности тока пучка в дрейфе (т.е. за оптикой источника) органически присущими пучку и получены пучком в момент вытягивания ионов полем оптики из газоразрядной плазмы источника или указанные колебания приобретены пучком уже после прохождения оптики, т.е. в дрейфе. Операция воздействия на пучок импульсом положительной полярности в дрейфе в районе оптики в плотной пучковой плазмой не воздействует на пучок и на появление или исчезновение рассматриваемых колебаний в пучке.

Установлено, что в подавляющем числе случаев колебания в токе пучка возникают в области дрейфа. Импульс прямоугольной формы для мгновенного возмущения компенсации пучка наиболее подходящ. Время нарастания фронта потенциала и убывание его практически равны нулю. Очень малое время нарастания фронта импульса не позволяет успеть пучковой плазме осуществить защиту плазмы от высасывания электронов за счет возрастания потенциала плазмы в пространстве с пронизывающим ее пучком. Потенциал пространства плазмы через некоторое время (время релаксации) становится выше потенциала возмущающего импульса - 25В. Отсос электронов прекращается. Колебания в плазме и в пучке входят в обычный режим. Если ширина (длительность) импульса будет более одной микросекунды, то момент восстановления нейтрализации (компенсации) заряда в пучке начнется, когда в пучке накопится уже вторичный электронный заряд (конечно вместе с вторичным ионным зарядом) и связь между колебаниями тока быстрых ионов пучка и потенциалом (компенсацией) пучка будет потеряна, точнее завуалирована вторичным, зарядом.

Амплитуда импульса в этой операции выбрана в 25 В потому, что пучковая плазма под воздействием внешнего электрода (относительно плазмы) принимает более высокий положительный потенциал, чем потенциал электрода (внешнего). Это защищает плазму от разделения зарядов и ее разрушения. Поскольку декомпенсирующий импульс длится одну микросекунду и плазма не успевает среагировать на это защитным увеличением потенциала,

то за счет отсоса электронов потенциал объема пучка достигнет значений зондирующего импульса, т.е. 25В. Но это как раз тот максимальный (пороговый) потенциал пространства пучка, который дает предел возможности использовать изотопные пучки в целях качественного разделения изотопов в магнитных сепараторах.

Воздействие импульса осуществляют на пучок в его начальном участке с плотной пучковой плазмой. Это обусловлено тем, .что, как показали первые испытания предлагаемого способа, в плотности тока и,токе быстрых ионов генерирует плотная пучковая плазма, сконцентрированная на его начальном участке (там, где пучок интенсивно ионизует неионизованный пар источника при выходе его через рабочую щель одновременно с еще не разошедшимся по углу плотным ионным пучком). В плотной пучковой плазме при прохождении быстрого пучка ионов возникает плазменная кинетическая неустойчивость (волновой колебательный процесс с большим декрементом нарастания амплитуды волны), электрические переменные поля которой .сбивают ионы пучка с предписанных им магнитным полем траекторий.

Хаотические колебания в токе быстрых ионов пучка в карман возникают потому, что сброшенные со своих траекторий ионы пучка (их некоторая часть, где развилась неустойчивость) не попадают в карман. По окончании (затухании) неустойчивости ионы на этих траекториях возвращаются в карман, так как траектории восстанавливают свое положение. Все это на экране осциллографа фиксируется как шумовые колебания (т.е. колебания нерегулярные по фазе, частоте и амплитуде). Таким образом неустойчивости в пучковой плазме трансформируются в колебания тока и плотности тока быстрых ионов и могут влиять на компенсацию заряда в пучке.

Частоту следования декомпенсирую- щих импульсов выбирают равной или меньше частоты восстановления компенсации заряда пучка электронами:

комп 2 1дек+ I-колло

,

где v , DKO/VM-T время декомпенсации и восстановления

0

5

0

5

0

5

компенсации пучка (Фиг.2).

Измерения и сопоставление колебании и степени декомпенсации производят так: синхронно с подачей в пучок декомпенсирукнцих импульсов измеряют переменную составляющую тока пучка в фазах компенсации и декомпенсации (ЈдЈ,к+ ) и сопоставляют эти колебания с поведением потенциала пучка через измерение во времени его силы тока.

Медленное изменение тока пучка, характеризующее изменение тока пучка, попадающего в карман вследствие динамики декомпенсации в отличие от случая с высокочастотной переменной составляющей, возникшей в пучке вследствие неустойчивости в пучковой плазме, не отфильтровываются. После фильтрации наблюдают осциллографом ток пучка с переменной составляющей. Фотографируют эти две последовательные серии измерений, сопоставляют колебания, их характер и делают выводы относительно истинной природы колебаний и фактического влияния их на состояние компенсации заряда пучка, т.е. производят достоверную диагностику пучка.

Па фиг.2а сверху показано изменение тока пучка в карман при отфильтрованной (относительно высокочастотной) переменной составляющей, т.е. эти осциллограммы отражают изменения силы тока пучка под действием компенсации: по мере восстановления компенсации пучок в фокусе сужается и все большая часть его проникает в карман. После установления компенсации ток пучка насыщается.

На нижний канал осциллографа включено напряжение прямоугольных импульсов (от генератора 26-И). Частота следования импульсов 500 Гц. Из верхней осциллограммы тока (в отфильтрованной переменной составляющей) ло.гко определить время декомпенсации пучка

дек

время восстановления компенсации ч,компи время, в течение которого пучок пребывает в компенсированном состоянии /а Ј до начала декомпенсации следующим импульсом .(их частота следования 500 Гц). На фиг 2а переменная составляющая не отфильтровывается (фиг.1 и 2).

Из осциллограммы без отфильтрованной компоненты тока следует, что

моменту подали AeKOMneHcupvroiuero на пучок потенциала соответствует почти полное исчезновение колебаний в токе пучка.

Таким образом установлено, что колебания в токе и плотности тока пучка приобретены пучком в районе, где электрическое поле линз оптики не нарушает компенсацию, если она долж- на возникать. Колебания тока в пуч- к|2 (их частота и интенсивность) не всегда являются показателем степени декомпенсации пучка. Важна природа этих колебаний.

С помощью предлагаемого способа осуществлялся контроль при промышленном накоплении обогащенных изотопов цинка в условиях, когда макси- мальный потенциал пучка сохранялся постоянным и .равным не более 20 в.. но относительная амплитуда колеба- ручка Eh на приемнике заметно различалась 43XZn4 )/l(, 3,2 и 0,3%.

Разброс в квазикомпенсированном пучке Zn4 по обогащению слабо распространенного изотопа Zn-70 (природное содержание 0,61%), составил, если сравнивать концентрации .обогащения этого изотопа применительно к указанной степени модуляции )/l(Zn равной 5; 3,22; 0,3%, соответственно 42,9; 54,1 и 61%. При неизменном по величине среднем во времени потенциа- ле пучка (т.е. при неизменной компен- сации ) и при прочих равных условиях в камере оператора получены только За счет колебаний тока пучка ощутимо различные обогащения (до 18%). Относи5

0 5

0 -

тельное изотопное загрязнение дальними изотопами 68, 67, 66 и 64 с ростом глубины модуляции 4I(Zn)/ /l(Zn4) существенно возрастает, т.е. например, изотопа Zn-64 в относительных единицах в Zn-70 попадает гораздо больше в том случае, если отношение 4I(Zn)/I(Zn4) больше. Формула изобретения

Способ диагностики компенсации заряда в ионных пучках магнитного - сепаратора, включающий операции по измерению амплитуды и частоты колебаний тока и плотности тока пучка на изотопном приемнике и в различных поперечных сечениях пучка по его длине, измерения максимального потенциала пучка, сопоставление уровня колебаний с величиной потенциала пучка, отличающийся тем,что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения природы возникновения колебаний в ионных пучках с помощью электрического прямоугольного импульса положительной полярности; амплитудой свыше 25 В,длительностью не более одной микросекунды, при частоте следования импульсов менее 4 кГц осуществляют вывод электронов компенсации из района пучка, прилежащего к оптике источника, измеряют и сравнивают амплитуду и частоту колебаний тока ионного пучка, потенциал пучка и плотность тока пучка в кармане приемника в фазах его компенсации и декомпенсации при подаче электрического прямоугольного импульса, по которым судят о природе возникновения колебаний.

Изобретение относится к промышленному обогащению изитопов химических элементов электромагнитным способом, в частности к диагностике состояния компенсации интенсивных пучков в промышленных магнитных сепараторах. Цель изобретения - определение причин декомпенсации электрического заряда в изотопных пучках сепаратора и повышение качества изотопной продукции. Предлагаемый способ диагностики состоит в "мгновенной" декомпенсеции пучка импульсом длительностью 1 мкс, 25 В амплитудой и частотой их следования не более 4 кГц. При этом излучают связь между колебаниями тока (и плотности) в пучке и потенциалом его в фазе компенсации и декомпенсации. Причиной развития колебаний в токе и декомпенсации заряда в большем числе случаев являются конвективные неустойчивости, развивающиеся в плотной пучковой плазме. 2 ил.

дек крцмп. /№

а и f

Фиг, г