Устройство для разделения заряженных частиц по массам

 

Изобретение предназначено для ядерной техники и может быть использовано при выделении изотопа из естественной смеси. Устройство содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены источник заряженных частиц 2, изоляторы 5, сепаратор 6, приемники заряженных частиц 9 и 10, выполненные в виде карманов. Источник заряженных частиц 2 включает ионизационную камеру 3 и формирующие вытягивающее напряжение электроды 4. Сепаратор 6 выполнен в виде раструбов 7 и 8, сужающихся по дугам орбит заряженных частиц. Раструбы 7 и 8 установлены с совмещением в широких частях с уменьшением их поперечных сечений от области совмещения к противоположным концам с образованием зазора между их боковыми поверхностями. Раструбы 7 и 8 снабжены щелевыми прорезями, размещенными вдоль их боковых поверхностей. Источник заряженных частиц 2 установлен в области совмещения раструбов 7 и 8, размещенных асимметрично. Приемники 9 и 10 расположены в области наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов 7 и 8. Электрод 11 установлен в области совмещения раструбов 7 и 8, а электроды 12, 13 и 14 установлены оппозитно области совмещения раструбов 7 и 8. Изобретение позволяет увеличить производительность, повысить степень разделения и уменьшить габариты устройства. 3 ил.

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования при разделении заряженных частиц, например для выделения изотопа из естественной смеси в широком диапазоне множественности химических элементов.

Известно несколько устройств для разделения заряженных частиц по массам электромагнитным методом. Устройства разработаны в процессе поиска надежных методов разделения изотопов, методов реализации управляемого ядерного и термоядерного синтеза, методов формирования пучков заряженных частиц в ионно-пучковых и электронно-пучковых устройствах и методов управления пучками заряженных частиц в ускорительной технике. Для разделения заряженных частиц используют центробежную силу и силу Лоренца, действующие на движущиеся в электрическом и магнитном поле заряженные частицы.

Известно устройство для разделения заряженных частиц по массам, в котором разделение частиц осуществляется в электрическом и магнитном полях кольцевых витков и кольцевых катушек (см. патент РФ N 1772939, МПК5 B 01 D 59/48, H 05 H 5/00). Устройство содержит вакуумную камеру, в которой размещены соосные источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц и приемник заряженных частиц. В вакуумной камере также размещены электроды, формирующие электростатическое поле с продольной и радиальной составляющими вектора напряженности, источник магнитного поля в виде катушки, формирующей статическое магнитное поле, пространственно совмещенное с электрическим. Для повышения селективности в устройстве имеются кольцевые электроды и кольцевые катушки, расположенные в местах поворота по радиусу заряженных частиц и образующие статические аксиально-симметричные возмущающие поля с многопольной, дипольной или квадрупольной структурой. Источник заряженных частиц и приспособление для сбора заряженных частиц выполнены кольцевыми. Сепаратор заряженных частиц устройства для разделения заряженных частиц состоит из электродов, формирующих электростатическое поле, катушки, формирующей статическое магнитное поле, пространственно совмещенное с электростатическим, кольцевых электродов и кольцевых катушек, формирующих электрическое и магнитное поля, кольцевых электродов и кольцевых катушек, образующих возмущающие поля.

Основным недостатком описанного устройства является низкая селективность при разделении заряженных частиц по массам вследствие ограниченных возможностей расщепления пучков изотопных ионов электрическим и магнитным полями кольцевых электродов и кольцевых катушек.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для разделения заряженных частиц по массам, в котором разделение частиц осуществляется в электрическом и магнитном полях токопроводящих раструбов (см. патент РФ N 2135270, МПК6 B 01 D 59/48, H 01 J 49/26). Устройство содержит вакуумную камеру, в которой размещены соосные источник заряженных частиц, сепаратор заряженных частиц и приемники заряженных частиц. Сепаратор заряженных частиц выполнен в виде аксиальных сужающихся по дугам орбит заряженных частиц раструбов, установленных один в другом с совмещением в широкой части каждого раструба при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения раструбов к противоположному концу каждого раструба и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль образующих боковых поверхностей раструбов. Раструбы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, а кольцевой источник заряженных частиц размещен вокруг широкой части сепаратора заряженных частиц вдоль щелевых прорезей. Приемники заряженных частиц выполнены в виде карманов.

Основным недостатком устройства-прототипа является невысокая селективность при разделении заряженных частиц по массам вследствие недостаточного расщепления пучков изотопных ионов из-за ограниченной возможности разведения аксиальных раструбов.

Сущность настоящего изобретения состоит в том, что в устройстве для разделения заряженных частиц по массам, содержащем вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, приемники, изготовленные в виде карманов, и сепаратор, выполненный в виде раструбов, сужающихся по дугам орбит заряженных частиц, установленных один в другом с совмещением в широких частях при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения к противоположным концам с образованием зазора между их боковыми поверхностями и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль их боковых поверхностей, при этом раструбы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, а источник заряженных частиц установлен в области совмещения раструбов, раструбы установлены асимметрично, а приемники заряженных частиц расположены в области наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов, при этом щелевые прорези размещены в плоскости симметрии сепаратора со стороны наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов.

Техническим результатом является повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам.

Повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам обеспечивается вследствие наличия возможности большего расщепления пучков изотопных ионов при установке раструбов асимметрично один в другом с совмещением в широкой части каждого раструба, размещении источника заряженных частиц в области совмещения широкой части каждого раструба, а приемников заряженных частиц - в области наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов, т. е. предлагаемое устройство позволяет закручивать пучок легких изотопных ионов и пучок тяжелых изотопных ионов по более расходящимся, чем в устройстве-прототипе, дугам орбит из-за большего разведения магнитных барьеров магнитного поля, полученных посредством увеличения зазора между боковыми поверхностями раструбов.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц по массам, на фиг. 2 - вертикальный разрез сепаратора заряженных частиц, на фиг. 3 - вид A фиг. 2.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам содержит вакуумную камеру 1, в которой размещены источник 2 заряженных частиц, состоящий из ионизационной камеры 3 и формирующих вытягивающее электрическое поле электродов 4, изоляторы 5, сепаратор 6, выполненный в виде раструбов 7, 8, сужающихся по дугам орбит заряженных частиц, установленных один в другом с совмещением в широких частях при уменьшении поперечных сечений раструбов 7, 8 от области совмещения к противоположным концам с образованием зазора между их боковыми поверхностями и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль их боковых поверхностей, при этом раструбы 7, 8 выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, а источник 2 заряженных частиц установлен в области совмещения раструбов 7, 8. Раструбы 7, 8 установлены асимметрично, а приемники 9, 10 заряженных частиц расположены в области наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов 7, 8, при этом щелевые прорези размещены в плоскости симметрии сепаратора 6 со стороны наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов 7, 8. В устройстве для разделения заряженных частиц по массам содержатся также подводящие электрический ток электроды 11, 12, 13, 14. Электрод 11 установлен в области совмещения широких частей раструбов 7, 8, электроды 12, 13, 14 установлены оппозитно области совмещения широких частей раструбами 7, 8.

Сепаратор 6 заряженных частиц, изготовленный в виде расходящихся своими боковыми поверхностями раструбов 7, 8, соответственно большего и меньшего диаметров, выполненных с возможностью протекания постоянных по направлению электрических токов, формирующих статическое магнитное поле с расходящимися магнитными барьерами для разделения заряженных частиц, одновременно является источником магнитного поля. Сепаратор 6 заряженных частиц содержит больший раструб 7, изготовленный из проводящего или сверхпроводящего электрический ток материала, меньший раструб 8, изготовленный из токопроводящего или сверхпроводящего материала, и изоляторы 5. Токопроводящие или сверхпроводящие больший раструб 7 и меньший раструб 8 являются асимметричными, имеют одинаковые поперечные сечения в начале общей широкой части и имеют различные поперечные сечения в узких частях, расположены друг в друге с совмещением, т. е. широкая часть большего раструба 7 совмещена с широкой частью меньшего раструба 8. Раструб 7 сужается по дуге, кривизна которой соответствует кривизне орбиты легких заряженных частиц. Раструб 8 сужается по дуге, кривизна которой соответствует кривизне орбиты тяжелых заряженных частиц. Вдоль боковой поверхности большего раструба 7 и вдоль боковой поверхности меньшего раструба 8 в плоскости симметрии сепаратора 6 заряженных частиц со стороны области наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов 7, 8 для использования магнитного поля размещены продольные щелевые прорези 15. Зазор между боковыми поверхностями асимметричных раструбов 7 и 8 в местах расположения продольных щелевых прорезей 15 обеспечивает более селективное разделение пучков заряженных частиц по массам.

Для индукции магнитного поля вдоль большего раструба 7 и вдоль меньшего раструба 8 необходимо подать электрические токи в одном направлении. При разделении положительно заряженных частиц по массам отрицательный потенциал подается с помощью электрода 11, размещенного в области совмещения широких частей раструбов 7, 8. Положительные потенциалы на узкие части раструбов 7, 8 подаются с помощью электродов 12, 13, 14, размещенных в области приемника 9 легких заряженных частиц и приемника 10 тяжелых заряженных частиц, где выводятся разделенные положительно заряженные частицы из сепаратора 6 заряженных частиц. Распределение индукции по радиусу сепаратора 6 заряженных частиц в зоне разделения заряженных частиц таково, что получается поле с расходящимися барьерами магнитной индукции.

Предлагаемое устройство для разделения заряженных частиц по массам работает следующим образом.

В ионизационной камере 3 источника 2 заряженных частиц происходит ионизация молекул разделяемых заряженных частиц, после чего ионы вытягиваются электрическим полем между электродами 4 источника 2 заряженных частиц и затем направляются в сепаратор 6 заряженных частиц.

Выведенная из источника 2 заряженных частиц смесь разделяемых заряженных частиц подается в сепаратор 6 заряженных частиц, в пространство между корпусом вакуумной камеры 1 и общей для раструбов 7, 8 широкой их частью, к началам продольных щелевых прорезей 15 в раструбах 7, 8. Принцип работы сепаратора 6 заряженных частиц заключается в том, что разделение заряженных частиц происходит на расходящихся магнитных барьерах магнитного поля. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка в месте соединения раструбов 7, 8 создан электрическими токами, протекающими по раструбам 7, 8, и поэтому магнитный барьер легко держит разделяемые заряженные частицы на единой мгновенной круговой орбите. По мере движения заряженные частицы попадают в область зазора между боковыми поверхностями раструбов 7, 8, в область расхождения щелевых прорезей 15 в раструбах 7, 8, т.е. в область расхождения электрических токов, в область магнитного поля с расходящимися магнитными барьерами и меньшими значениями магнитной индукции. В сепараторе 6 расхождение магнитных барьеров большее, чем в устройстве-прототипе, так как оно получено посредством большего зазора между боковыми поверхностями раструбов 7, 8. Здесь электрическим током по большему раструбу 7 сформирован магнитный барьер такой высоты и магнитная индукция поддерживается на таком уровне, когда пучок легких заряженных частиц остается на орбите, расположенной вдоль большего раструба 7, а пучок тяжелых заряженных частиц сходит с орбиты. Пучок тяжелых заряженных частиц в этом случае идет сначала по прямолинейной траектории, а затем направляется вдоль меньшего раструба 8. Удержание пучка тяжелых заряженных частиц на расположенной вдоль меньшего раструба 8 орбите производится другим магнитным барьером, т.е. достаточным значением магнитной индукции, созданной в большей степени электрическим током, протекающим по меньшему раструбу 8, и в меньшей степени электрическим током, протекающим по большему раструбу 7. Понижение магнитного барьера вдоль меньшего раструба 8 приводит к переходу пучка тяжелых заряженных частиц с орбиты, расположенной вдоль меньшего раструба 8, на прямолинейную траекторию. Если требуется заряженные частицы перевести с орбиты, расположенной вдоль меньшего раструба 8, на орбиту, расположенную вдоль большего раструба 7, то для этого увеличивают электрический ток, протекающий вдоль большего раструба 7.

Функциональной особенностью сепаратора 6 заряженных частиц является возможность приблизить расщепление пучков заряженных частиц к максимально возможному за счет большего расщепления магнитных барьеров, расположенных вдоль щелевых прорезей 15, что стало возможным при асимметричном взаимном положении раструбов 7, 8. Протяженность зоны разделения заряженных частиц по массам в таком случае приближена к минимальной.

После сепаратора 6 заряженных частиц легкие заряженные частицы попадают в приемник 9, а тяжелые заряженные частицы попадают в приемник 10 и накапливаются в этих приемниках. Приемник 9 для легких заряженных частиц и приемник 10 для тяжелых заряженных частиц изготовлены в виде карманов и не являются кольцевыми, находятся в одном конце устройства для разделения частиц по массам и электрически отделены от вакуумной камеры 1 изоляторами 5.

Производительность устройства для разделения заряженных частиц по массам определяется током извлекаемых из источника ионов, растет при увеличении напряженности вытягивающего поля, ширины и длины отверстия источника. Повышение производительности устройства для разделения заряженных частиц по массам приводит к увеличению размеров источника заряженных частиц, сепаратора и приемника заряженных частиц.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными техническими решениями в этой области повышает селективность при разделении заряженных частиц по массам, т.к. увеличено расщепление нерассеянных узких пучков заряженных частиц, происходящее при асимметричном размещении раструбов в порядке уменьшения поперечных сечений раструбов в направлении от области их совмещения.

Предлагаемое изобретение также позволяет уменьшить габариты устройства, т. к. большее расщепление достигается на меньшей длине сепаратора. Предлагаемое устройство для разделения заряженных частиц по массам испытано на нескольких электрофизических моделях. На первой электрофизической модели устройства для разделения заряженных частиц разделяемые пучки заряженных частиц моделированы немагнитными проводниками с электрическими токами. Легкие заряженные частицы моделированы легким немагнитным проводником с электрическим током. Тяжелые заряженные частицы моделированы тяжелым немагнитным проводником с таким же электрическим током. На второй электрофизической модели устройства для разделения заряженных частиц по массам пучок разделяемых по массам заряженных частиц моделирован пучком разделяемых по энергиям электронов. Пучки разделенных по массам заряженных частиц моделированы пучками разделенных по энергиям электронов. Пучок легких заряженных частиц моделирован пучком низкоэнергетических электронов, а пучок тяжелых заряженных частиц моделирован пучком высокоэнергетических электронов.

Формула изобретения

Устройство для разделения заряженных частиц по массам, содержащее вакуумную камеру, в которой размещены источник заряженных частиц, приемники, изготовленные в виде карманов, и сепаратор, выполненный в виде раструбов, сужающихся по дугам орбит заряженных частиц, установленных один в другом с совмещением в широких частях при уменьшении поперечных сечений раструбов от области совмещения к противоположным концам с образованием зазора между их боковыми поверхностями и снабженных продольными щелевыми прорезями, размещенными вдоль их боковых поверхностей, при этом раструбы выполнены с возможностью протекания по ним постоянных по направлению электрических токов, а источник заряженных частиц установлен в области совмещения раструбов, отличающееся тем, что раструбы установлены асимметрично, а приемники заряженных частиц расположены в области наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов, при этом щелевые прорези размещены в плоскости симметрии сепаратора со стороны наибольшего зазора между боковыми поверхностями раструбов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования при разделении заряженных частиц, например для выделения изотопов из их естественной смеси в широком диапазоне множественности химических элементов

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике, к ускорительной технике и может быть использовано для генерации сильноточных высоковольтных электрических импульсов прямоугольной формы для запитки ускорительных устройств, плазменных, лайнерных нагрузок и т.д

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при создании сильноточных импульсных источников ускоренных положительных ионов с импульсами наносекундной длительности

Изобретение относится к технике получения импульсных мощных ионных пучков

Изобретение относится к технике генерации импульсных электронных пучков и может быть использовано при разработке генераторов электронных пучков и рентгеновских импульсов

Изобретение относится к технике генерации импульсных электронных пучков и может быть использовано при разработке генераторов электронных пучков и рентгеновских импульсов

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электромагнитным устройствам развертки пучка, которые используются для облучения различных объектов

Изобретение относится к ускорительной технике и радиационной технологии, а более конкретно к технологическому оборудованию, предназначенному для радиационной модификации органических материалов, и может использоваться при создании технологических линий по производству радиационно модифицируемых полимерных пленок

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования при разделении заряженных частиц, например для выделения изотопов из их естественной смеси в широком диапазоне множественности химических элементов

Изобретение относится к области электрофизики, в частности к системам, служащим для высокочастотного (ВЧ) нагрева ионов плазмы в установках для разделения изотопов методом ионно-циклотронного резонанса (ИЦР-метод)

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения изотопов химических элементов, а точнее к электромагнитному разделению изотопов палладия

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения изотопов химических элементов, а точнее, к электромагнитному разделению изотопов калия

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения изотопов химических элементов, а точнее к электромагнитному разделению изотопов европия

Изобретение относится к технологии электромагнитного разделения изотопов химических элементов, а точнее к электромагнитному разделению изотопов иттербия

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования при разделении заряженных частиц, например для выделения изотопа из естественной смеси в широком диапазоне множественности химических элементов
Наверх