Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к способам и устройствам для электромагнитного разделения и может быть использовано для производства чистых стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов. Цель изобретения - повышение производительности процесса и снижение себестоимости изотопного продукта. Способ включает ионизацию вещества, создание мощных пучков, подачу пучков в вакуумную камеру в область скрепленных аксиально-симметричных неоднородного электрического и неоднородного магнитного полей, накопление изотопов в отсеках ионных приемников. В области скрещенных полей создают сплошное аксиально-симметричное плазменное образование с замкнутым дрейфом электронов, а радиальное распределение потенциала электрического поля задают в виде U(r) = aV_o(r² - 1), где r_mo - максимальный радиус центральной траектории ионов основной массы; m_o - масса основного иона; Н_o - напряженность магнитного поля; V_o - ускоряющий потенциал; с - скорость света. Устройство для разделения изотопов содержит вакуумную камеру и магниты. В камере соосно с крышками размещены два набора концентрических электродов 2 в виде колец, смонтированных на цилиндрах 12 и 13. Устройство включает источник 1 и приемники 7 и 8 ионов, размещенные в области, прилегающей к внутреннему электроду. Создание плазменного образования в области движения ионов позволяет скомпенсировать объемный заряд в пучках и повысить мощные токи. Задание распределения потенциала в виде U(r) = aV_o(r² - 1) и размещение источника и приемников ионов в области, прилегающей к внутреннему электроду, обеспечивает торможение ионов на нисходящих ветвях их траекторий и рекуперацию энергии электрического поля. 1 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способам и устройствам для электромагнитного разделения и может быть использовано для производства чистых стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов. Целью изобретения является повышение производительности процесса и снижение себестоимости изотопного продукта. Создание в области разделения сплошного аксиально-симметрического плазменного образования с замкнутым дрейфом электронов и задание потенциала электрического поля в виде квадратичной функции радиуса позволяет скомпенсировать объемный заряд ионных пучков, ускорять ионы, входящие в плазменное образование, и замедлять ионы, выходящие из плазменного образования. За счет компенсации объемного заряда ионных пучков удается уменьшить их расходимость и увеличить предельную величину тока в пучках, т.е. производительность. Задание электрического потенциала указанного вида, выполнение электродов в виде концентрических колец и размещение источника и приемников ионов в области, прилегающей к внутреннему электроду, обеспечивает рекуперацию энергии ионов, снижение энергозатрат и, в результате, себестоимости продукта. На фиг. 1 и 2 представлена схема устройства для разделения изотопов. Способ разделения изотопов осуществляют следующим образом. Разделяемое вещество ионизируют, создают ионные пучки и подают пучки из источника 1 в аксиально-симметричное плазменное образование с замкнутым дрейфом электронов, создаваемое системой электродов 2. Плазменное образование создано в вакуумной камере 3 в области скрещенных аксиально-симметричных неоднородного электрического и однородного магнитного полей, создаваемых системой электродов 2 и полюсами магнитов 4. На электродах 2 задают разделенный потенциал вида U(r) aV_o (r² 1), где r_mo максимальный радиус центральной траектории ионов основной массы; m_o масса основного иона; H_o напряженность магнитного поля; V_o потенциал, ускоряющий ионы в ионном источнике; с скорость света. При входе в область скрещенных полей ионные пучки разделяются по массам составляющих их ионов и движутся по различным траекториям 5 и 6. На начальном участке траектории до точек, лежащих на радиусе вектора для легких изотопов и для тяжелых, ионы ускоряются, а на участке от этих точек до приемников 7 и 8 тормозятся. Накопление изотопов производят в отсеках приемников 7 и 8. На восходящих участках траекторий ионы получают энергию от электрического поля, а на нисходящих они отдают эту энергию, т.е. происходит рекуперация энергии. Устройство для разделения изотопов состоит из вакуумной камеры 3, крышки которой служат полюсами магнита 4, образующего однородное магнитное поле в объеме камеры. Магнитное поле создается плитками из магнитно-твердого сплава 9. Магнитный поток замыкается магнитопроводами 10. Вакуум в камере создают с помощью откачного агрегата 11. В камере соосно с крышками размещены два набора концентрических электродов 2 в виде замкнутых колец, смонтированных на цилиндрах 12 и 13. Потенциал на кольца подают проводниками, введенными внутрь камеры через фланец 14. Устройство содержит источник 1 и приемники 7 и 8 ионов, размещенные в области, прилегающей к внутреннему электроду. Устройство для разделения изотопов работает следующим образом. В камере создают вакуум с давлением газа порядка 10^-5 мм рт.ст. При подаче напряжения на электроды 6 в камере в зазоре между верхним и нижним набором колец в скрещенном электрическом и магнитном полях формируется плазменное образование с замкнутым дрейфом электронов. В это образование из ионного источника 1 подают ионные пучки перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Ионы сначала ускоряются в электрическом поле, а затем тормозятся и фокусируются на щелях приемников 7 и 8, где, нейтрализуясь, оседают на стенках. Предлагаемое устройство при токе 1 А в пучках ионов свинца и производительности 7,5 г/ч имеет массу 25 т, потребляет мощность 2 кВт и расходует воды 1 м³/ч.

Формула изобретения

1. Способ разделения изотопов, включающий ионизацию разделяемого вещества, создание ионных пучков, подачу ионных пучков в вакуумную камеру в область скрещенных аксиально-симметричных неоднородного электрического и однородного магнитного полей, накопление изотопов в отсеках ионных приемников, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса и снижения себестоимости изотопного продукта, в области скрещенных электрического и магнитного полей создают сплошное аксиально-симметричное плазменное образование с замкнутым дрейфом электронов, причем радиальное распределение потенциала электрического поля задают в виде U(r) aV₀(r² 1),
где


максимальный радиус центральной траектории ионов основной массы;
m_о масса основного иона;
H₀ напряженность магнитного поля;
с скорость света;
V₀ потенциал, ускоряющий ионы в ионном источнике. 2. Устройство для разделения изотопов, включающее магнит, систему электропитания и электроизмерения и вакуумную камеру, внутри которой размещены источник, приемник ионов и две параллельные одна другой группы концентрических металлических электродов, расположенных между полюсами магнита, отличающееся тем, что, с целью снижения себестоимости изотопного продукта, металлические электроды выполнены в виде замкнутых колец, а источник и приемник ионов размещены в области, прилегающей к внутреннему электроду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2