DE2037030C1

DE2037030C1 - Device for the separation of isotopes by centrifugal forces

Info

Publication number: DE2037030C1
Application number: DE2037030A
Authority: DE
Inventors: Mujeeb Dr. Hashmi; Adriaan Julius Van Der Dr. Houven Van Oordt
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1970-07-25
Filing date: 1970-07-25
Publication date: 1975-08-07
Also published as: GB1385325A; BE770460A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Trennung von Isotopen durch Zentrifugalkräfte, mit einer vakuumdichten Trennkammer, in der ein Plasma, das Ionen der zu trennenden Isotopen enthält, durch ein radiales elektrisches und ein axiales magnetisches Feld in Rotation um eine Achse versetzt wird, ferner mit mindestens einer auf der Achse angeordneten Elektrode und mit einer Vorrichtung zur Entnahme von Fraktionen, die mit leichten bzw. schweren Isotopen angereichert sind, aus einem achsnahen bzw. achsfernen Bereich der Trennkammer.The invention relates to a device for separation of isotopes by centrifugal forces, with a vacuum-tight separation chamber in which a plasma, which contains ions of the isotopes to be separated, by a radial electrical and an axial magnetic Field is set in rotation about an axis, further with at least one arranged on the axis Electrode and a device for removing fractions containing light or heavy isotopes are enriched from an area of the separation chamber close to or away from the axis.

Zur Trennung von Isotopen sind unter anderem das Gasdiffusionsverfahren, das Trenndüsenverfahren und das Gaszentrifegenverfahren bekannt. Von diesen bekannten Verfahren ergibt das Gaszentrifugenverfahren den größten elementaren Trenneffekt. Trotzdem sind bei praktischen Anwendungen immer noch verhältnismäßig viele Trennstufen erforderlich, da die Trommelumfangsgeschwindigkeit durch die Festigkeit der zur Verfugung stehenden Rotorwerkstoffe begrenzt ist. Eine kurze Zusammenfassung der bekannten Verfahren zur Isotopentrennung findetThe gas diffusion process, the separation nozzle process and, among others, are used to separate isotopes known as the gas centrifuge process. Of these known methods, there is the gas centrifuge method the greatest elementary separation effect. Even so, in practical applications are still relatively many separation stages required, since the drum peripheral speed by the Strength of the available rotor materials is limited. A brief summary of the known method for isotope separation finds

sich in dem Buch von Riezler und Walcher, »Kerntechnik«, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft, Stuttgart, 1958, S. 227 bis 261.in the book by Riezler and Walcher, "Kerntechnik", B. G. Teubner Verlagsgesellschaft, Stuttgart, 1958, pp. 227 to 261.

Es ist ferner aus der DT-AS 12 59 603 eine Einrichtung zur Erzeugung einer Rotation einer Gasmenge zur Isotopentrennung bekanntgeworden, die eine von einem axialen Magnetfeld durchsetzte Trennkammer enthält, in der sich eine in der Nähe der Achse angeordnete erste Elektrodenanordnung und eine diese im Abstand umgebende ringförmige zweite Elektrode angeordnet sind, zwischen denen durch ein elektrisches Feld eine Gasentladung erzeugt wird. Durch die Wechselwirkung des radialen elektrischen Feldes mit dem axialen magnetischen Feld entsteht eine Rotation des durch die Gasentladung erzeugten Plasmas um die zum Magnetfeld parallele Achse. Um die elektrische Entladung zu stabilisieren, ist die achsnahe Elektrode in Sektoren unterteilt.It is also from DT-AS 12 59 603 a device for generating a rotation of a gas quantity became known for isotope separation, which one penetrated by an axial magnetic field Contains separation chamber in which there is a first electrode arrangement arranged in the vicinity of the axis and a spaced-apart annular second electrode is arranged between which a gas discharge is generated by an electric field. By the interaction of the radial Electric field with the axial magnetic field causes a rotation of the gas discharge generated plasma around the axis parallel to the magnetic field. To the electrical discharge too stabilize, the near-axis electrode is divided into sectors.

Die Erzeugung einer stabilen radialsymmetrischen Entladung ist trotz der im bekannten Falle getroffenen Maßnahmen problematisch, außerdem sind bei den Drücken, die für einen Lichtbogen erforderlich sind, keine sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten möglich. Schließlich bringt die hohe Temperatur des »s Lichtbogens wegen störender Diffusionseffekte und starkem Verschleiß der Elektroden weitere Probleme mit sich.The generation of a stable, radially symmetrical discharge is problematic in spite of the measures taken in the known case; in addition, very high rotational speeds are not possible at the pressures required for an arc. Finally, the high temperature brings the "s arc because of disturbing diffusion effects and heavy wear of the electrodes further problems.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Isotopentrennung durch Zentrifugalkräfte anzugeben, die mit geringem Aufwand ein stabiles Arbeiten gewährleistet und sich durch einen hohen Massendurchsatz und einen hohen elementaren Trenneffekt auszeichnet. The present invention is accordingly based on the object of a device for isotope separation indicated by centrifugal forces, which guarantees stable work with little effort and is characterized by a high mass throughput and a high elementary separation effect.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Elektrode zumindest an einem aktiven Teil ihrer Oberfläche aus einem Material besteht, das im erhitzten Zustand Elektronen emittiert und die zu trennenden Isotope durch Kontaktionisation zu ionisieren vermag; daß der aktiven Oberfläche der Elektrode durch eine Zuführungsvorrichtung Atome der zu trennenden Isotopen zuführbar sind und daß die Zuführungsvorrichtung, die Heizvorrichtung und die Materialzusammensetzung der Elektrode so ausgebildet sind, daß sich der Betrag der Differenz zwischen der Dichte der von der aktiven Oberfläche der Elektrode thermisch emittierten Elektronen und der Dichte der an der Elektrodenfläche durch Kontaktionisation erzeugten Ionen mit zunehmender Entfernung von der Achse stetig ändert und das radiale elektrische Feld entsteht.According to the invention, this object is achieved in a device of the type mentioned in the introduction, that the electrode at least on an active part of its surface consists of a material which when heated, electrons are emitted and the isotopes to be separated are added by contact ionization able to ionize; that the active surface of the electrode through a delivery device atoms the isotopes to be separated can be supplied and that the supply device, the heating device and the material composition of the electrode are designed so that the amount of the difference between the density of electrons thermally emitted from the active surface of the electrode and the Density of the ions generated on the electrode surface by contact ionization with increasing distance changes continuously from the axis and the radial electric field is created.

Mit einer solchen Einrichtung ist es möglich, hohe Rotationsgeschwindigkeiten in einem ruhigen und stabilen Plasma zu erreichen, insbesondere wenn die Verhältnisse durch geeignete Wahl des Dichteprofils der der Elektrodenfläche zugeführten Atome und der Temperaturverteilung der Elektrodenfläche in noch zu beschreibender Weise optimiert werden.With such a device it is possible to achieve high speeds of rotation in a quiet and Achieve stable plasma, especially if the ratios by suitable choice of the density profile of the atoms supplied to the electrode surface and the temperature distribution of the electrode surface in to be optimized in a manner yet to be described.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further developments and refinements of the invention are characterized in the subclaims.

Die Erfindung ist an Hand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt. Es zeigtThe invention is illustrated in the drawing on the basis of exemplary embodiments. It shows

F i g. 1 einen Axialschnitt durch eine Einrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung undF i g. 1 shows an axial section through a device according to a first embodiment of the invention and

F i g. 2 einen Axialschnitt des Teiles eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das eine etwas andere Elektroden- und Verdampferkonstruktion enthält.F i g. Figure 2 is an axial section of part of a second embodiment of the invention, which is a somewhat Contains other electrode and vaporizer construction.

Die Einrichtung gemäß Fig. 1 enthält ein im wesentlichen zylindrisches Vakuumgefäß 10, das aus einem unmagnetischen Material, wie Quarz, Geräteglas oder Edelstahl bestehen kann und von einer zylindrischen Magnetspule 12, die ein axiales Magnetfeld B liefert, koaxial umgeben ist. Im Vakuumgefäß 10 sind zwei heizbare Elektroden 14 a, 14 & angeordnet, die jeweils eine kreisförmige Endplatte 16 σ, 166 enthalten, welche einander gegenüberliegende, ebene Elektrodenflächen 18 a, 18 & bilden. Hinter den Endplatten 16 a, 166 sind toroidförmige Glühkathoden 20 a, 206 angeordnet. Die Anschlüsse der Glühkathoden und der Elektroden sind mittels Durchführungen isoliert durch die Wand des Vakuumgefäßes 10 nach außen geführt und, wie es am Beispiel der Elektrode 14a dargestellt ist, mit einer Heizspannungsquelle 22 bzw. einer Beschleunigungsspannungsquelle 24 so verbunden, daß die Glühkathode auf Emissionstemperatur geheizt und die emittierten Elektronen zur Rückseite der Endplatte 16 hin beschleunigt werden, so daß letztere durch Elektronenbeschuß auf ihre Betriebstemperatur erhitzt wird.The device according to FIG. 1 contains an essentially cylindrical vacuum vessel 10, which can consist of a non-magnetic material such as quartz, appliance glass or stainless steel and is coaxially surrounded by a cylindrical magnetic coil 12 which supplies an axial magnetic field B. Two heatable electrodes 14 a, 14 & are arranged in the vacuum vessel 10, each of which contains a circular end plate 16 σ, 166, which form opposing, flat electrode surfaces 18 a, 18 &. Behind the end plates 16 a, 166 toroidal hot cathodes 20 a, 206 are arranged. The connections of the hot cathodes and the electrodes are insulated by means of bushings through the wall of the vacuum vessel 10 and, as shown in the example of the electrode 14a, connected to a heating voltage source 22 or an acceleration voltage source 24 so that the hot cathode is heated to emission temperature and the emitted electrons are accelerated towards the rear of the end plate 16, so that the latter is heated to its operating temperature by electron bombardment.

Im Vakuumgefäß 1· ist außerdem eine stark vereinfacht dargestellte Verdampfervorrichtung 26 angeordnet, die mit einer elektrischen Heizeinrichtung 30 versehen ist und einen Atomstrahl auf die Elektrodenfläche 18 β richtet.In addition, one is greatly simplified in the vacuum vessel 1 shown evaporator device 26 arranged with an electrical heating device 30 is provided and directs an atomic beam onto the electrode surface 18 β.

Die Endplatten 16 a und 166 bestehen aus einem Material, das die auftreffenden Atome der zu trennenden Isotope durch Kontaktionisation zu ionisieren vermag. Die Ionisierungsspannung der zu trennenden Isotope muß also vergleichbar mit dem Austrittspotential des Materials der Endplatte 16a sein. Geeignete Materialien für die Endplatte sind z.B. W, Re, Ta, wenn Uranisotope oder Isotope von Alkali- und Erdalkalimetallelementen getrennt werden sollen. Wenn die Endplatte aus Kohlenstoff besteht, können auch Isotope mit noch höheren Ionisationsspannungen ionisiert und getrennt werden.The end plates 16 a and 166 consist of one Material that ionizes the impinging atoms of the isotopes to be separated by contact ionization able. The ionization voltage of the isotopes to be separated must therefore be comparable to the exit potential of the material of the end plate 16a. Suitable Materials for the end plate are e.g. W, Re, Ta, if uranium isotopes or isotopes of alkali and alkaline earth metal elements are to be separated. If the end plate is made of carbon, you can isotopes with even higher ionization voltages can also be ionized and separated.

Im Betrieb der Einrichtung wird die Magnetspule 12 mit Gleichstrom gespeist, so daß in dem von der Vakuumkammer 10 umschlossenen Trennraum ein axiales Magnetfeld zwischen beispielsweise 2 und 8kG herrscht. Die Endplatten 16 a und 16 & werden durch Elektronenbeschuß auf eine Temperatur in der Größenordnung von 2500° K erhitzt, und die Heizeinrichtung 39 der Verdampfervorrichtung 2t, die vorher mit einem die zu trennenden Isotope enthaltenden Material 34 gefüllt worden war, wird in Betrieb gesetzt, so daß die Verdampfervorrichtung 26 einen breiten Atomstrahl 32 auf die Elektrodenfläche 18 a richtet. Die Atome des Atomstrahls werden beim Auf treffen auf die Elektrodenfläche 18 a durch Kontaktionisation ionisiert und bilden mit den von der Fläche 18 a thermisch emittierten Elektronen ein Plasma, das durch das Magnetfeld B in den Raum zwischen den Endplatten 18 a, 186 eingeschlossen wird. Die andere Endplatte 18 6 wird ebenfalls auf Betriebstemperatur erhitzt, so daß an der Fläche 186 ebenfalls Elektronen emittiert werden und eine Kontaktionisation, z. B. von durch Rekombination neutralisierten Atomen, stattfinden kann.When the device is in operation, the magnetic coil 12 is fed with direct current, so that there is an axial magnetic field between, for example, 2 and 8 kG in the separating space enclosed by the vacuum chamber 10. The end plates 16 a and 16 & are heated by electron bombardment to a temperature of the order of magnitude of 2500 ° K, and the heating device 39 of the evaporator device 2t, which had previously been filled with a material 34 containing the isotopes to be separated, is put into operation, so that the vaporizer device 26 directs a broad atomic beam 32 onto the electrode surface 18 a. The atoms of the atom beam are ionized when they hit the electrode surface 18 a by contact ionization and form a plasma with the thermally emitted electrons from the surface 18 a, which is enclosed by the magnetic field B in the space between the end plates 18 a, 186. The other end plate 18 6 is also heated to operating temperature, so that electrons are also emitted at the surface 186 and a contact ionization, e.g. B. of atoms neutralized by recombination can take place.

Das Dichteprofil des Atomstrahls 32 wird nun bezüglich der radialen Temperaturverteilung der End-The density profile of the atomic beam 32 is now determined with regard to the radial temperature distribution of the end

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platte 16 α so gewählt, daß sich der Betrag der Diffe- Weise, z. B. durch direkten Stromdurchgang, heizbar renz der Dichten der Ionen bzw. Elektronen in Ra- ist. Das verdampfte Material tritt durch öffnungen dialrichtung, also mit zunehmender Entfernung von 44 in der Endplatte 16«' und wird bei der Berühder Achse 36, stetig ändert und dementsprechend rung mit den Wänden dieser Öffnungen ionisiert. Die ein bezüglich der Achse 36 radial gerichtetes elektri- S Endplatte 16 a' ist durch direkten Stromdurchgang sches Feld E auftritt. Vorzugsweise sind die Verhält- heizbar und hierfür durch einen Mittelanschluß 46 nisse so gewählt, daß das Feld nach innen gerichtet und einen Außenanschluß 48 mit einer Heizspanist, d. h., daß das Verhältnis von Ionendichte zu nungsquelle 22' verbunden. Die Ionen- und Elektro-Elektronendichte mit zunehmendem Abstand von der nendichten sind wieder so bemessen, daß sich vor der Achse 36 zunimmt. Die Einrichtung ist jedoch auch io Endplatte 16 a' ein radiales elektrisches Feld ergibt, dann funktionsfähig, wenn dieses Verhältnis mit zu- das zusammen mit dem axialen Magnetfeld B die Ronehmendem Abstand von der Achse abnimmt. Ent- tation des Plasmas bewirkt. Die Achse 36 steht bei sprechende Verhältnisse können auch an der Fläche diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise senkrecht. 18b erhalten werden, wenn man die radiale Tempe- Im übrigen kann die Einrichtung gemäß Fig. 2 wie raturverteilung und/oder gegebenenfalls die Mate- 15 die gemäß F i g. 1 aufgebaut sein,
rialzusammensetzung der Endplatte 16 & m radialer Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen Richtung entsprechend wählt. sich z. B. dadurch abwandeln, daß eine der Endplat-plate 16 α chosen so that the amount of Diffe- way, z. B. by direct passage of current, heatable renz of the densities of the ions or electrons in Ra is. The vaporized material passes through the openings in the dial direction, ie with increasing distance from 44 in the end plate 16 "'and is constantly changing at the contact axis 36 and ionized accordingly with the walls of these openings. The one with respect to the axis 36 radially directed electrical S end plate 16 a 'is due to the direct passage of current cal field E occurs. The ratios are preferably heatable and for this purpose are selected by means of a central connection 46 so that the field is directed inwards and an external connection 48 is connected to a heating chip, that is to say that the ratio of ion density to voltage source 22 'is connected. The ion and electro-electron density with increasing distance from the nominal density are again dimensioned in such a way that it increases in front of the axis 36. The device is, however, also in the end plate 16a ', resulting in a radial electric field, then functional when this ratio decreases along with the axial magnetic field B as the distance from the axis increases. Enttation of the plasma causes. The axis 36 is preferably perpendicular to the surface of this exemplary embodiment in speaking conditions. 18 b can be obtained if the radial temperature is otherwise the device according to FIG. 2 such as temperature distribution and / or optionally the material 15 according to FIG. 1 be constructed,
The radial composition of the end plate 16 μm more radial. The exemplary embodiments described allow the direction to be selected accordingly. z. B. modify that one of the end plate

Auf das Plasma wirken also im Bereich einer ge- ten kalt ist und aus einem beliebigen Material be-The plasma therefore has an effect in the area where it is cold and made of any material

wissen Schicht vor einer oder beiden Elektroden 14 α steht, oder sogar ganz fehlt, insbesondere wenn derknow layer in front of one or both electrodes 14 α, or even completely absent, especially if the

und 14 & das aus der Differenz der Ionen- und Elek- so Trennraum in Axialrichtung verhältnismäßig lang ist.and 14 & which, from the difference between the ion and elec- tronics separating space in the axial direction, is relatively long.

tronendichte resultierende radiale elektrische Feld E₁. Zusätzlich kann zur Verstärkung des radialen elek-electron density resulting radial electric field E ₁ . In addition, to reinforce the radial elec-

und das axiale Magnetfelds, so daß das Plasma in trischen Feldes eine die Plasmasäule umgebendeand the axial magnetic field, so that the plasma in tric field surrounds the plasma column

Rotation um die Achse 36 versetzt wird und der ge- zylindrische Elektrode vorgesehen sein, die je nachRotation about the axis 36 is offset and the cylindrical electrode can be provided depending on

wünschte Trenneffekt eintritt. Infolge der Rotation der Richtung des radialen elektrischen Feldes positivdesired separation effect occurs. Positive as a result of the rotation of the direction of the radial electric field

der Plasmasäure reichern sich die leichtere bzw. 25 oder negativ bezüglich der oder den geheizten Ioni-of the plasma acid, the lighter or 25 or negative ones with respect to the heated ionic acid or

schwerere Komponente im Bereich der Achse 36 sierungselektroden vorgespannt ist. Diese zylin-heavier component in the area of the axis 36 is biased sizing electrodes. This cylindrical

bzw. im Bereich ' des Umfanges der rotierenden drische Elektrode kann z. B. auch durch einen Teilor in the area 'of the circumference of the rotating drical electrode can, for. B. also through a part

Plasmasäule art. Die leichtere Komponente kann der Gefäßwand gebildet werden, der aus einem un-Plasma column art. The lighter component can be formed by the vessel wall, which consists of an un-

durch eine Öffnung 38 und einen Kanal 42 entnom- magnetischen Metall oder aus einer leitenden Schichtthrough an opening 38 and a channel 42 removed magnetic metal or from a conductive layer

men werden, deren Durchmesser größer als der dop- 30 bestehen kann.men whose diameter can be greater than double 30.

pelte Gyrationsradius der Ionen sein soll. Die Ionen Die Ionisierungselektrode kann z. B. auch auspelte radius of gyration of the ions. The ions The ionization electrode can e.g. B. also from

wandern zwischen den Endplatten 16 a und 166 hin einem heizbaren Hohlkörper bestehen, der gleichzei-migrate between the end plates 16 a and 166 to consist of a heatable hollow body, which at the same time

ünd her, und die schwereren Ionen gelangen schließ- tig die Verdampfereinrichtung bildet, das zu ionisie-and the heavier ions finally reach the evaporator device, which is ionized

lich über den Umfang der Endplatte 166 nach außen rende und verdampfende Material enthält und Öff-Lich over the circumference of the end plate 166 contains outwardly generating and vaporizing material and

und treten dann durch einen Ringkanal 40 aus. Wenn 35 nungen entsprechend den öffnungen 44 (F i g. 2) auf-and then exit through an annular channel 40. If 35 openings corresponding to openings 44 (Fig. 2)

nur an einer Stirnseite der Trennkammer 10 ein sol- weist, aus denen das verdampfte Material bei gleich-only at one end of the separating chamber 10 has a sol, from which the evaporated material at the same

cher Ringkanal vorgesehen ist, wird vorzugsweise die zeitiger Ionisierung an den Wänden austritt. Dercher ring channel is provided, the earlier ionization will preferably emerge on the walls. Of the

bei diesem Ringkanal angeordnete Elektrode 16 & im Hohlkörper kann auf irgendeine Weise, z. B. durchin this annular channel arranged electrode 16 & in the hollow body can in any way, for. B. by

Durchmesser etwas kleiner gemacht als die andere Elektronenbeschuß oder durch Stromdurchgang, heiz-Diameter made slightly smaller than the other electron bombardment or by passage of current, heating

Elektrode 16 a, damit keine Ionen an der Seite der 40 bar sein.Electrode 16 a so that there are no ions on the side of the 40 bar.

Elektrode 16 a verlorengehen. Der Durchmesser der vorzugsweise kreisförmigenElectrode 16 a is lost. The diameter of the preferably circular

Wenn verhältnismäßig schwere Isotope, wie Uran- Flächen 16 der Elektroden beträgt vorzugsweise minisotope, zu trennen sind, kann die Rotationsgeschwin- destens 3 bis 10 cm, er kann jedoch auch noch erdigkeit dadurch erhöht werden, daß man ein Plasma heblich größer sein. Die Länge der Trennkammer, in verwendet, das zusätzlich in an sich bekannter Weise 45 Fig. 1 also im wesentlichen der Abstand der Elek-Ionen eines leichten Elementes, z.B. Lithiumionen, trodenflächenl8a, 18 b, beträgt vorzugsweise mindeenthält. Die leichten Ionen können dabei im Über- stens etwa 0,3 bis 0,5 m, sie kann jedoch auch 3 m schuß vorhanden sein und nehmen die zu trennenden und mehr betragen.If relatively heavy isotopes, such as uranium surfaces 16 of the electrodes are preferably minisotopes, are to be separated, the rotation speed can be 3 to 10 cm, but it can also be increased by making a plasma considerably larger. The length of the separating chamber, which is also used in a manner known per se, is preferably at least the distance between the electrons of a light element, eg lithium ions, electrode surfaces 18a, 18b. The light ions can mostly be about 0.3 to 0.5 m, but they can also be present 3 m and take those to be separated and more.

schweren Isotopen bei der Rotation mit. Statt Li- Um die gewünschte Dichteverteilung der Elektro-heavy isotopes with the rotation. Instead of Li - To achieve the desired density distribution of the electrical

thiüm kann auch ein anderes leichtes Trägergas ver- 50 nen und Ionen an der aktiven Elektrodenfläche 18 a,another light carrier gas can cause this and ions on the active electrode surface 18 a,

wendet werden, um die Rotationsgeschwindigkeit zu 18 & und 18 α' zu erreichen, kann auch eine Elektrodebe used to achieve the rotation speed to 18 & and 18 α ', an electrode can also be used

erhöhen. verwendet werden, deren Materialzusammensetzungraise. are used, their material composition

Die Einrichtung gemäß F i g. 2 unterscheidet sich sich in Radialrichtüng ändert, z. B. so, daß sich dieThe device according to FIG. 2 differs in Radialrichtüng changes, z. B. so that the

von der gemäß Fig. 1 vor allem darin, daß die Ver- Ionisierungsfähigkeit bzw. Emissionsfähigkeit derof that according to FIG. 1 mainly in that the ver ionization ability or emissivity of the

dampfervorrichtung 26'hinter der Endplatte 16 a' an- 55 Elektrodenfläche in Radialrichtung trotz im wesent-steamer device 26 'behind the end plate 16a' on 55 electrode surface in the radial direction despite essentially

geordnet ist. Die Verdampfervorrichtung enthält z.B. liehen gleicher Temperatur der Elektrodenfläche inis ordered. The vaporizer device contains, for example, the same temperature of the electrode surface in

ein ringförmiges Schiffchen, das auf irgendeine der gewünschten Weise ändert.an annular shuttle that changes in any of the ways desired.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patentansprüche:Patent claims:

1. Einrichtung zur Trennung von Isotopen durch Zentrifugalkräfte, mit einer vakuumdichten Trennkammer, in der ein Plasma, das Ionen der zu trennenden Isotopen enthält, durch ein radiales elektrisches und ein axiales magnetisches Feld in Rotation um eine Achse versetzt wird, ferner mit mindestens einer auf der Achse angeordneten Elektrode und mit einer Vorrichtung zur Entnahme von Fraktionen, die mit leichten bzw. schweren Isotopen angereichert sind, aus einem achsnahen bzw. achsfernen Bereich der Trennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (14a, 14') zumindest an einem aktiven Teil ihrer Oberfläche aus einem Material besteht, das Im erhitzten Zustand Elektronen emittiert und die zu trennenden Isotope durch Kontaktionisation zu ionisieren vermag; daß der ao aktiven Oberfläche der Elektrode durch eine Zuführungsvorrichtung Atome der zu trennenden Isotopen zuführbar sind und daß die Zuführungsvorrichtung, die Heizvorrichtung und die Materialzusammensetzung der Elektrode so ausgebildet sind, daß sich der Betrag der Differenz zwischen der Dichte der von der aktiven Oberfläche der Elektrode thermisch emittierten Elektronen und der Dichte der an der Elektrodenfläche durch Kontaktionisation erzeugten Ionen mit zunehmender Entfernung von der Achse stetig ändert und das radiale elektrische Feld (E_r) entsteht.1. Device for the separation of isotopes by centrifugal forces, with a vacuum-tight separation chamber in which a plasma containing ions of the isotopes to be separated is set in rotation about an axis by a radial electric and an axial magnetic field, furthermore with at least one The electrode arranged on the axis and with a device for removing fractions which are enriched with light or heavy isotopes from an area of the separation chamber close to or away from the axis, characterized in that the electrode (14a, 14 ') at least on an active part its surface consists of a material which, when heated, emits electrons and is able to ionize the isotopes to be separated by contact ionization; that the ao active surface of the electrode can be fed through a feed device atoms of the isotopes to be separated and that the feed device, the heating device and the material composition of the electrode are designed so that the amount of the difference between the density of the active surface of the electrode is thermally emitted electrons and the density of the ions generated on the electrode surface by contact ionization changes steadily with increasing distance from the axis and the radial electric field (E _r ) is created.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkammer eine weitere auf der Achse angeordnete heizbare Elektrode (14 b) enthält, deren aktive Oberfläche (166) der aktiven Oberfläche (16 a) der einen Elektrode (14 a) gegenüberliegt und koaxial zur Achse (36) angeordnet ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the separating chamber contains a further heatable electrode (14 b) arranged on the axis, the active surface (166) of which lies opposite the active surface (16 a) of the one electrode (14 a) and is coaxial is arranged to the axis (36).

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine (14 b) der Elektroden (14 a, 14 b) eine koaxiale Öffnung (38) aufweist, die mit einem Entnahmekanal (42) für die leichtere Komponente verbunden ist, und daß bei einer der Elektroden ein radial außerhalb ihres Außenrandes angeordneter Entnahmekanal (40) für die schwerere Komponente vorgesehen ist.3. Device according to claim 2, characterized in that one (14 b) of the electrodes (14 a, 14 b) has a coaxial opening (38) which is connected to a removal channel (42) for the lighter component, and that at one of the electrodes has a removal channel (40) arranged radially outside its outer edge for the heavier component.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Entnahmekanal (40) für die schwerere Komponente gegenüberliegende Elektrode in Radialrichtung über den Entnahmekanal (40) hinausreicht.4. Device according to claim 3, characterized in that the removal channel (40) for the heavier component opposite electrode in radial direction over the extraction channel (40) reaches out.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (20, 22, 24; 48) eine Temperaturverteilung mit einem radialen Temperaturgradienten in der Elektrodenfläche (18) erzeugt.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the Heating device (20, 22, 24; 48) a temperature distribution with a radial temperature gradient generated in the electrode surface (18).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (20, 22, 24; 48) so ausgebildet ist, daß die Temperatur der Elektrodenfläche (18) mit zunehmendem Abstand von der Achse (36) abnimmt.6. Device according to claim 5, characterized in that the heating device (20, 22, 24; 48) is designed so that the temperature of the electrode surface (18) with increasing distance decreases from the axis (36).

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsvorrichtung (26, 30) einen auf die Elektrodenfläche (18 a) gerichteten Atomstrahl (32), der die zu trennenden Isotope enthält, liefert (Fig. 1).7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the feed device (26, 30) an atom beam (32) directed onto the electrode surface (18 a), which contains the isotopes to be separated provides (Fig. 1).

8. Einrichtung nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsvorrichtung (26, 30) einen breiten Atomstrahl (32) liefert, dessen Dichte in den achsfernen Bereichen der Elektrodenfläche (18 a) mindestens annähernd gleich der Dichte im Bereich der Achse (36) ist.8. Device according to claim ?, characterized in that the feed device (26, 30) delivers a broad atomic beam (32) whose density is in the off-axis areas of the Electrode area (18 a) is at least approximately equal to the density in the area of the axis (36).

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsvorrichtung eine hinter der Elektrodenfläche (18 a) angeordnete Verdampfereinrichtung (26') für die zu trennenden Isotope enthält und daß die Elektrodenfläche Durchbrechungen (44) aufweist, durch die die verdampften und durch Berührung mit den Wänden der Durchbrechungen ionisierten Isotope in den Raum zwischen den Elektroden gelangen.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the feed device an evaporator device arranged behind the electrode surface (18 a) (26 ') for the isotopes to be separated and that the electrode surface has openings (44) has through which the vaporized and through contact with the walls of the perforations ionized isotopes get into the space between the electrodes.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenfläche eben ist und senkrecht auf der Achse (36) steht.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the The electrode surface is flat and perpendicular to the axis (36).

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Einführen von Ionen eines Elements, das wesentlich leichter als die zu trennenden Isotope ist, in das Plasma.11. Device according to one of the preceding Claims, characterized by an arrangement for introducing ions of an element, which is much lighter than the isotopes to be separated into the plasma.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von den zu ionisierenden Atomen getroffenen Flächen (18) der Elektroden (14) mindestens zum Teil aus C, W, Re oder Ta bestehen.12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the surfaces (18) of the electrodes (14) hit by the atoms to be ionized at least for Part consist of C, W, Re or Ta.

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine den Trennraum koaxial umgebende Elektrode, die zur Unterstützung des radialen elektrischen Feldes bezüglich der oder den heizbaren Elektroden vorspannbar ist. 13. Device according to one of the preceding claims, characterized by a Separation space coaxially surrounding electrode, which supports the radial electric field can be biased with respect to the heatable electrode or electrodes.

14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Materialzusammensetzung der aktiven Oberfläche (18) der heizbaren Elektrode (14) in Radialrichtung stetig oder stufenweise ändert.14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the material composition of the active surface (18) of the heatable electrode (14) in Radial direction changes continuously or in steps.