Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления



Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройство для его осуществления
H05H1/54 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2681524:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский национальный исследовательский технический университет" (ФГБОУ ВО "ИРНИТУ") (RU)

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 UA1, 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 UАЗ-К такой величины, при котором обеспечивается горение Е×В-разряда в обеих камерах плазменного ускорителя, причем |UA1| ≥ |UАЗ-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.

 

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 Brd ≈ 30 Тл⋅м, где Br - величина радиальной компоненты индукции магнитного поля, d - размер азимутатора вдоль траектории движения ионов. Для обеспечения такого потока при d ≈ 10-2 м необходимо поле Br ≥ 0,3 Тл, при котором электроны плазмы оказываются замагниченными (ларморовский радиус электронов ρе << d), а ионы - незамагниченными (ларморовский радиус ионов ρi >> 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 nкр 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 Lmax, который можно определить по формуле: где νmax - максимальная скорость ионов в спектре; νϕ - 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 UA1 на анод-1, подачи положительного потенциала UA2 на анод-2, причем и подачи потенциала UК=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 UA, 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 UA1, 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 UАЗ 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 > 2ρе и Δ2 > 2ρе, где ρе - 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, me - 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 ≤ eUA1 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 BA ≥ 0,03 Тл, что соответствует индукции в центре азимутатора-катода ВАЗ ≥ 0,11 Тл, значениях положительного электрического потенциала на аноде-1 UA1 ≥ +400 В и отрицательного потенциала на азимутаторе-катоде UАЗ-К ≥ |-500| В при соблюдении условия |UA1| ≥ |UАЗ-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 Br 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 Br 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 |UA1| ≥ |UАЗ-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 UA1 и не зависит от потенциала азимутатора-катода: ΔW ≤ eUA1.

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 ρе ~ 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, me - масса электрона. В таких условиях энергия We, набираемая электронами в электрическом поле напряженностью Е (анод-азимутатор ЕА1-AЗ-К или азимутатор-анод-2 ЕАЗ-К-А2) в процессе дрейфа в скрещенных полях на длине h ≈ 2ρе (h - высота циклоиды - размер вдоль Е), определяемая как We ≈ eEh, превышает потенциалы ионизации ϕi рабочих газов (для аргона ϕi ≈ 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 We, что, в свою очередь, обеспечивает устойчивое горение Е×В-разряда в обеих камерах. Токи разряда в первой IP1 и второй IP2 камерах определяются режимом горения разряда (величинами напряженности электрического и индукции магнитного полей) и соотношение между ними может быть как IP1 ≥ IP2, так и IP1 ≤ IP2.

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 UАЗ-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.

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 UA1, 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 ρe - 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, me - 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к дуговым плазменным горелкам. Сопло дуговой плазменной горелки расположено симметрично относительно оси сопла и содержит сопловое отверстие, отцентрированное относительно оси сопла и имеющее боковую стенку по существу цилиндрической формы, газонаправляющую поверхность, расположенную симметрично относительно оси сопла и охватывающую указанное отверстие и вход, соединяющий указанную газонаправляющую поверхность с указанной боковой стенкой отверстия.

Изобретение относится к области исследования ударной сжимаемости и оптических свойств материалов за сильными ударными волнами при числах Маха более 5. Устройство ударного сжатия малоплотных сред посредством формирования квазистационарного Маховского режима отражения от оси содержит цилиндрический пустотелый заряд взрывчатого вещества, инициируемый гиперзвуковой по отношению к ВВ системой последовательного инициирования.

Изобретение относится к области плазменной техники. Система охлаждения высоковольтного электродугового плазмотрона содержит в одном варианте три электродных узла, каждый из которых содержит цилиндрический полый электрод с катушкой, три составных металлических патрубка, образующих три дуговых канала, каждый из которых соединен с соответствующим полым электродом через изолирующую втулку, а металлические патрубки каждого дугового канала соединены между собой посредством дополнительной изолирующей втулки.

Изобретение относится к способам генерации широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии, медицине и других областях.

Группа изобретений касается области санитарии и может быть использовано для стерилизации жестких контейнеров или их содержимого. Стерилизационный аппарат (100) содержит: резервуар (110), образующий герметичную емкость (110), который может заполняться изолирующим материалом или жидкостью, расположенные внутри резервуара (110) эластичный канал (116) или выемку, причем данная выемка включает в себя жидкостную деформацию изолирующего материала в соответствии с формой контейнера целевого назначения и проходит по меньшей мере частично сквозь герметичный резервуар, таким образом образуя отверстие, через которое контейнер (114), подлежащий стерилизации, может помещаться внутрь, группу электродов (118, 120), расположенных вокруг эластичного канала (116) или выемки, через которые может подаваться переменный ток высокого напряжения.

Изобретение относится к средствам регулирования подачи защитной жидкости в плазменной горелке. Защитный элемент подачи жидкости для плазменной горелки включает в себя тело, имеющее внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, и компонент для регулирования подачи жидкости, расположенный в окружном направлении внутри тела и в непосредственном контакте с внутренней поверхностью тела.

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в плазме и в газоразрядных приборах, между анодом и катодом в которых при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение.

Изобретение относится к электрофизическим устройствам, предназначенным для использования в области медицины и биологии, а также в санитарии, и может быть использовано для обеззараживания или стерилизации.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в области атомно-эмиссионного спектрального анализа, при термической обработке порошковых материалов, в металлургии для контроля состояния плавки в реальном времени по составу отходящих газов, а также в качестве атомизатора порошковых материалов для корректировки траектории космических аппаратов.

Изобретение относится к группе, включающей завихрительное кольцо для плазмообразующего газа для плазменной горелки с жидкостным охлаждением и способ управления потоком плазмообразующего газа в плазменной горелке.

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 UA1, 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 UАЗ-К такой величины, при котором обеспечивается горение Е×В-разряда в обеих камерах плазменного ускорителя, причем UA1 ≥ UАЗ-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, 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.

Наверх