Способ диагностики компенсации заряда в ионных пучках магнитного сепаратора

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

Щ)5*H 01 349 26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

IlPH ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:

И А ВТОРСКОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4324085/24-21 .(22) 31. 08. 87 (46) 23.07. 90. Бюл. Р 27 (71) Республиканский электромеханический завод, r.Íåâèííîìûñ (72) Н.И.Дацко; В.В.Земсков, Б.В.Стукая и В.Е.Шишленко (53) 621 ° 384 (088.8) (56) Габович М.Д. Успехи физических наук, 1977, с.123,,с.83.

Незлин М.В. ЖТФ, 1960, т.30, с ° 168. (54) СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ КОМПЕНСАЦИИ

ЗАРЯДА В ИОННЫХ ПУЧКАХ МАГНИТНОГО

СЕПАРАТОРА (57) Изобретение относится к промьппленному обогащению изотопов химических элементов электромагнитным способом, в частности к диагностике

Изобретение относится к промышленному разделению (обогащения) стабиль- ных 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 осущест„„SU„„1580456 А 1 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 декомпенсации пучка импульсом длительностью 1 мкс, 25 В.амплитудой и частотой их следования не более

4 кГц. При этом изучают связь между колебаниями тока (и плотности) в пучке и потенпиалом.его в фазе компенсации и декомпенсации. Причиной развития колебаний в токе и декомпенсации заряда в .больном числе случаев являются конвективные неустойчивости, развивающиеся в плотной пучковой плазме. 2 ил.

1 вляют 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 б для измерения потенциала пучка на середине его длины, пластины 7 для диагностики пучк-, приемник 8 изотопнЫх пучков, ка-..од 9 источника. Змитируемые катодом электроны через отверстия.

10 вводятся в разрядную камеру. Образующиеся ионы через выходную щель

1580456

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

На фиг.2 представлены: а — осциллограммы силы тока отдельного изотопного пучка 1 c ; б — переменная

56; +.

10 составляющая тока 3 (показаны также рямоугольные импульсы в нижних час,ях осциллограмм).

Для повышения производительности при разделении изотопов в масс-сепараторах используют пучки с высокой интенсивностью ионных токов. ВозниКающий при этом объемный заряд комПенсируется электронами, образующими ся при взаимодействии быстрых ионов

Пучка с молекулами остаточного газа. 1ри значительной интенсивности воз никают 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 неус35 тойчивости модулируют в токе пучка переменную составляющую. Знание при,роды возникновения колебаний в изотопных пучках позволяет повысить ка/ чество 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 компенса— ции из пучка импульсом пололжтельного потенциала длительностью не более одной микросекунды из начального участка пучка с плотной пучковой плазмой с амплитудой свыше 25Â.

Вывод электронов компенсации коротким положительным импульсом позволяет достоверно и непосредственно 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 гучковой 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 вторичнын зарядом.

Амплитуда импульса в этой операции выбрана в 25 Б 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, 1 5 »1 »56

5» то зя счет отсоса электронов потенциал объема пучка достигнет значений зондирующего импульса, т.е. 258. Но

f это кяк ряз тот максимальньп» (поро— говый) потенциал пространства пучка, которьп 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 колебательньп» 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. Рсе 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:

1 к »м»» 2»» (дик " o n ) э где, „ м„- Время декомпенсации

gpss 1 и восстановления

Зо компенсации пучка (< r»»»-. 2) .

Пзмер<=:.»;я и сопоставление колебя»»и»» и степени декомпенсяции производят тяк: синхронно с подачей в пучок декомпенсируюших импульсов измеряют переменную составляющую тока пучка в фазах компенсации и декомпенсации (».„. + „,„,„) и сопоставляют эти колебания с поведением потенцияла пучка через измерение во времени его силы тока.

1 1едленное изменение тока пучка, характеризую»чее изменение тока пучка, попадающего в карман вследствие динямики декомпенсяции 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 "-ти две последовательные серии измерений, сопоставляют колебания, их характер и делают выводы относительно истинной природы колебаний и фактического влияния их на состояние компенсации зарядя пучка, т.е. производят достоверную диагностику

»»уцкя .

Ня фиг.2а сверху показано изменение тока пучка в карман при отфильтрованной (относптельно высокочастотной) переме».ной 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 2б-И). Частота следования импульсов 500 Гц. Из верхней осциллограммь» тока (в отфильтрованной переменной составляющей) лагко определить время декомпенсации пучка время восстановления компенсации, „и время, и течение которого пучок пребывает в компенсированном состоянии д ». до начала декомпенсации следующим импульсом (их частота следования 500 Гц). На фиг 2а переменная составляющая не отфильтровывается (фиг.1 и 2).

Из осциллограммы беэ отфильтрованной ком тока следует, что

1580456 моменту подачи декомпенсирующего на

n ÷îê 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 должна возникать. Колебания тока в пучке (их частота и интенсивность) не всегда являются показателем степени декомпенсации пучка. Важна природа э гих колебаний.

С помощью предлагаемого способа осуществлялся контроль при промышленном накоплении обогащенньгх изотопов цинка в условиях, когда максимальный потенциал пучка сохранялся постоянным и .равным не более 20 в,, но .относительная амплитуда колеба«фй ручка Zn+ на приемнике. заметно различалась П(Еп" )/I(Zn +) =5, 3,2 и 0,3%. 25

Разброс в "квазикомпенсированном" пучке Zn. по обогащению слабо распространенного изотопа Zn-70 (природное содержание 0,61%)..составил, если сравнивать концентрации,обогащения этого изотопа применительно к указанной степени модуляции д? -(Еп )/I(Zn ) равной 5; 3,22; 0,3%, соответственно

42,9; 54,1 и 61%. При неизменном по величине среднем во времени потенциале пучка (т.е. при неизменной компенСацни ) и при прочих равных условиях в камере оператора получены только эа счет колебаний тока пучка ощутимо различные обогащения (до 18%). Относи-. тельное иэотопное загрязнение "дальними" изотопами 68, 67, 66 и 64 с ростом глубины модуляции dI(Zn )/

/I(Zn+) существенно возрастает, т.е ° например, изотопа Zn-64 в относительных единицах в Zn-70 попадает гораздо больше в том случае, если отношение

ДХ,(Еп ) /I(Zn ) больше.

Формула и з обретения

Способ диагностики компенсации заряда в ионных пучках магнитногосепаратора, 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 элехтронов.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 прямо-. угольного импульса, по которым судят о природе возникновения колебаний.

1500456

Составитель H.Кацеев

Техред М.Ходанич Корректор Л.Бескид

Редактер Л. Зайцева

Заказ 2017

Тираж 400,о."пис ное

ВН1ИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 101