DE2461629A1

DE2461629A1 - Verfahren und vorrichtung zur beschleunigung geladener teilchen in einem magnetfeld

Info

Publication number: DE2461629A1
Application number: DE19742461629
Authority: DE
Inventors: Harold K Forsen
Original assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Current assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Priority date: 1973-12-27
Filing date: 1974-12-27
Publication date: 1975-07-10
Also published as: IL46144A; AU7660374A; ES433343A1; FR2255940A1; IT1026105B; JPS50100497A; SE7416235L; GB1488399A; CH603223A5; NL7416933A; CA1027516A; BE823890A; SE413849B; IL46144A0; US3959649A

Description

Patentanwälte Dipl.-lng. R, BEETZ sen. Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. B E E T Z jr.

Ε München 22, steinsdorfstr.10 Tel. (O8S) 227201/227244/295910

Telegr. Allpatent München Telex 522Ο48

052-23.589P(23.59OH)

27. 12. 1974

Jersey Nuclear-Aveο Isotopes, Inc., Adresse ist: Exxon Nuclear Co.

Bellevue (Washington), V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Beschleunigung geladener Teilchen

in einem Magnetfeld

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beschleunigung geladener Teilchen in einem Magnetfeld, und insbesondere auf eine Beschleunigung selektiv ionisierter Teilchen durch einen Feldgradienten in einem insbesondere polarisierten Magnetfeld.

Ein Verfahren zur Urananreicherung, insbesondere zur Anreicherung des U -Isotops, ist bekannt (FR-OS 71.14007), bei dem eine als Beispiel erläuterte Vorrichtung Dampf aus Uranmetall erzeugt, der sich als Teilchenstrom ausdehnt. Das U -Isotop wird selektiv durch

052-(JNA 102)-Ko-r (8)

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Einwirkung einer auf eine enge Bandbreite abgestimmten Laserstrahlung ionisiert, um selektiv das U -Isotop ohne wesentliche Ionisation des

(Lt ό O

U -Isotops oder anderer Isotope anzuregen und zu ionisieren. Nach der Ionisation werden die Teilchen des U -Isotops vom Plasma durch Änderung ihrer Teilchenstromrichtung unter dem Einfluß eines gepulsten elektrischen Feldes und eines kontinuierlichen Magnetfeldes getrennt, die magnetohydrodynamische Kreuzfeld-Kräfte auf die Ionen erzeugen. Die verschiedenen Flugbahnen dieser Ionen, die auf der Kreuzfeld-Beschleunigung beruhen, erlauben deren Sammeln im Abstand von den übrigen Komponenten des Dampfstromes.

Wenn lediglich ein Magnetfeld zur Trennung der selektiv ionisierten Teilchen vom Plasma benutzt werden soll, müssen zusätzliche Faktoren für eine leistungsfähige Anreicherung beachtet werden. Insbesondere sollte ein Dampf strom hoher Dichte verwendet werden, um die Menge der Teilchen zu erhöhen, die getrennt werden. Die erhöhte Dichte führt zu einer Verringerung der Ladungsaustauschzeit für die selektiv ionisierten Teilchen, was wiederum ein größeres oder stärkeres Magnetfeld voraussetzt, damit der Ionenstrom um einen wesentlichen Winkel abgelenkt wird, bevor die Ionen ihre Ladung verlieren und nicht weiter durch das Magnetfeld beeinflußt werden. Ein starkes Magnetfeld erhöht jedoch die Zeeman-Aufspaltung oder Verbreiterung der Absorptionslinien für jedes Isotop, so daß dadurch die Qualität oder Selektivität der durch die Laserstrahlung erzeugten Anregung und Ionisation verringert wird.

Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zur selektiven Ionisation von Teilchen einer Isotopenart in einem Bereich aus Teilchen mehrerer Isotopenarten und zur Trennung der Teilchen durch Wechselwirkung eines

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polarisierten Magnetfeldes mit der Ionenbewegung im Bereich vor.

Bei einer bevorzugten Anwendung auf die Anreicherung des U Isotops arbeitet die Erfindung mit einer Vorrichtung, in der Uranme-' tall verdampft wird, um einen si ch in den Bereich eines Magnetfeldgradienten ausdehnenden Dampfstrom zu erzeugen, wo die Einwirkung der Laserstrahlung eine selektive Ionisation des U -Isotops bewirkt. Die Selektivität wird wesentlich durch Begrenzung der Zeeman-

. Aufspaltung in den Uran-Absorptionslinien unter dem Einfluß des Magnetfeldes erhöht. Diese Verringerung wird erreicht, indem eine vorbestimmte Polarisation zwischen dem Laserstrahl und dem Magnetfeld aufrechterhalten wird.

Die durch die Ionisation der Teilchen des U,. -Isotops freige-

. L·* O \J ,

setzten Elektronen behalten im allgemeinen die gleiche Temperatur wie die Ionen und die anderen Teilchen des Bereiches (der Umgebung). Wenigstens die Elektronen werden durch den Magnetfeldgradienten zu einem Punkt geringerer Feldstärke beschleunigt. Wegen der Bedingung der Ladungsneutralität des Plasmas ziehen die Elektronen die U-Ionen mit sich. Die Teilchen des U -Isotops können gesammelt werden, indem Sammelplatten auf der Bahn der beschleunigten Elektronen und Ionen vorgesehen werden.

Die Erfindung sieht also ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung und Beschleunigung von Ionen in einem Dampf mittels einer relativpolarisierten Laserstrahlung und eines Magnetfeldes vor. Bei einer Anwendung auf eine Uranisotopenanreicherung hat ein strömender Urandampf Teilchen des U -Isotops, die selektiv durch Laserstrahlung ionisiert werden, und der ionisierte Strom wird einem trans-

f ■'. ·

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versalen Feldgradienten in einem Magnetfeld unterworfen. Der Magnetfeldgradient führt zu einer Beschleunigung der ionisierten U Teilchen, die dadurch aus ihrer normalen Bahn zu einer Sammeleinrichtung abgelenkt werden. Ein starkes Magnetfeld und entsprechend hohe Ionenbeschleunigungen werden ohne Verlust in der Ionisationsselektivität erreicht, indem eine Polarisation zwischen der einwirkenden Laserstrahlung und dem Magnetfeld aufrechterhalten wird, wodurch die Zeeman-Aufspaltung der Uran-Energiezustände möglichst klein gemacht wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Isotopenanreicherung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines inneren Abschnittes der in der Fig. 1 gezeigten Ionisationskammer,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Fig. 2, und Fig. 4 eine zu der Fig. 3 abgewandelte Ausführungsform.

Die Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selektiven Ionisation und Trennung von Teilchen einer Isotopenart aus einem Bereich (Umgebung) strömender Teilchen (atomar oder molekular) mehrerer Isotopenarten durch Einwirkung einer Laserstrahlung und eines Magnetfeldgradienten in einer zum ionisierten Teilchenstrom transversalen und zur Laserpolarisation parallelen Richtung vor. Zum

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besseren Verständnis der Erfindung für eine Abscheidung ionisierter Teilchen mittels eines Magnetfeldes aus einem Strom wird zunächst eine Isotopentrennanlage näher erläutert, die der Erfindung zugeordnet ist.

In der Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Isotopenanreicherung dargestellt, die ein erstes Lasergerät 12 mit einem Lasermedium 14 aufweist, das insbesondere eine Farbstofflösung sein kann und einen Ausgangsstrahl 16 der Laserstrahlung hat. Eine für eine selektive Anregung des U -Isotops geeignete Abstimmung des Strahls 16 wird durch ein Abstimmglied 18 erhalten, das die typischen Bauteile eines Laserhohlraumes haben kann. Ein Etalon- oder Kalibrierfilter oder ein anderes Frequenz-Selektionsglied kann dem. Hohlraum beigefügt sein, um eine ausreichend enge Bandbreite und eine genaue Strahlungsfrequenz für den Strahl 16 aufrecht zu erhalten. Das Lasermedium 14 wird durch Erzeugung einer Besetzungsinversion der Teilchen des Mediums in einen Laserzuständ durch ein Anregungsglied 20 angeregt, das einen weiteren Laser oder ein "Blitzlicht" enthalten kann. Jeder Strahlungsimpuls im Ausgangsstrahl 16 wird durch ein Ansteuerglied 22 ausgelöst. Insbesondere werden die Strahlungsimpulse periodisch ausgelöst.

Bei einer typischen Anwendung kann das Lasergerät 12 einen "Dial-Α-Line-Laser" der Firma "Avco Everett Research Laboratory, Inc.," Everett, Massachusetts (USA), haben, der ggf.feine oder mehrere Verstärkungsstufen aufweist.

Der Ausgangsstrahl 16 wird durch einen dichroitischen Spiegel mit dem Ausgangsstrahl 26 eines weiteren Lasergerätes 28 zusammen-

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gefaßt. Ein Zeitgeber 30 bewirkt eine vorzugsweise zusammenfallende Anregung der Lasergeräte 12 und 28 für insbesondere gleichzeitige Ausgangsimpulse in einer sich wiederholenden Zeitfolge. Die Impulsdauer kann insbesondere von einigen ns bis zu einem wesentlichen Bruchteil einer ps reichen.

Der dichroitische Spiegel 24 erzeugt einen zusammengesetzten Strahl 32 einer Laser-Strahlungsenergie (eine oder mehrere Frequenzen) und enthält Phofonenenergien, die zu einer selektiven Anregung der verdampften U (.-Teilchen ohne entsprechende Anregung der U -Teilchen ausgewählt sind, und die weiterhin eine oder mehrere

zusätzliche Energiestufen umfassen, was zu einer Ionisation der selektiv angeregten U -Teilchen führt. Die besonderen Photonenenergien für die Anregung und Ionisation können aus einschlägigen Tabellen für die Absorptionslinien des U -Isotops oder anderer Isotope ausgewählt werden, die getrennt werden sollen.

Die selektive Anregung und Ionisation werden in einer evakuierten Kammer 34 durchgeführt, der die Laserstrahlung mit dem Strahl 32 über ein Fenster 36, das insbesondere aus optischem Quarz besteht, auf einem länglichen Rohr 38 zugeführt wird, um eine Verschmutzung des Fensters 36 zu vermeiden. Der Laserstrahl 32 durchläuft einen Trenner 40, wo in einem Bereich aus Dampfteilchen eine selektive Anregung und Ionisation durchgeführt wird. Der Dampf wird durch eine Dampfquelle 42 erzeugt, die vorzugsweise einen sich radial ausdehnenden Dampfstrom in den Trenner 40 strahlt. Der Strahl 32 verläuft weiter durch die Kammer 34, um über ein Rohr 44 und ein Fenster 46 auszutreten, und er kann insbesondere in einer oder mehreren ähnlichen Kammern verwendet werden, um eine gute Ausnutzung

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der Strahlung zu gewährleisten. Eine Vakuumpumpe 48 hält einen niedrigen Druck in der Kammer 34 aufrecht, um zu verhindern, daß atmosphärische Bestandteile das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise durch Teilchenzusammenstöße, Verbrennung oder auf andere Weise stören.

Eine Magnetfeld-Stromquelle 50 speist einen Magnetfeld-Strom zu Spulenvorrichtungen im Ionentrenner 40, um einen Magnetfeldgradienten zu erzeugen, der in Wechselwirkung mit dem auf der selektiven Ionisation beruhenden strömenden Plasma steht, so daß die Ionen für ein von anderen Komponenten des Dampfbereiches getrenntes Sammeln beschleunigt werden. ·

Anhand der Fig. 2 wird der Vorgang dieser Trennvorrichtung näher erläutert. Wie in der Fig. 2 dargestellt ist, wird ein sich radial ausdehnender Dampfstrom 52 aus der Oberfläche einer Masse 54 aus Uran erzeugt, das in einem Tiegel 56 enthalten ist. Der Tiegel hat mehrere Kühlöffnungen 58 zur Wärmeabfuhr. Die Oberfläche der Uranmasse 54 wird vorzugsweise in einer Linie oder einer Folge von Punkten durch Einwirkung eines Elektronenstrahles 60 von einer fadenförmigen Quelle und einer Stromquelle 62 erhitzt. Ein Magnetfeld 64, das zwischen Eisenpolstücke 66 gerichtet sein kann, fokussiert den Elektronenstrahl 60 auf die Linie oder Punkte der Oberfläche.

Der sich radial ausdehnende Dampfstrom 52 wird in den Ionentrenner 40 gerichtet. Der Trenner 40 hat mehrere U -Sammelplatten 68, die den Trenner 40 in mehrere Kammern 70 teilen. Die Rückseite der Kammern 70 ist durch eine· Einheitsplatte oder mehrere Sam-

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melplatten 72 für die nicht ionisierten Komponenten des Uran-Dampfstromes, insbesondere U , begrenzt. Die Platten 72 können ggf. weiter "stromabwärts" im Dampf strom vorgesehen sein. Die Platten 68 und 72 verlaufen in und aus der Seite der axialen Länge des Ionentrenners 40 und sind auf ihren Enden gelagert. Die Platten 68 und 72 können aus metallischem Uran bestehen.

In einem typischen Aufbau enthält jede Kammer 70 erste und zweite Stromstäbe oder -drähte 74 und 76, die jeweils in Richtung des Dampf stromes 52 hintereinander angeordnet sind. Die Stromstäbe 74 und 76 werden vorzugsweise mit einem Strom von der Magnetfeld-Stromquelle 50 erregt und erzeugen mehrere Magnetfeldgradienten in den Kammern 70 über einem gewölbten Bereich auf der Linie der Dampfquelle. ·

Die Kammern 70 werden vorzugsweise mit Strahlung des Strahls 32 bestrahlt, und dies insbesondere in Bereichen 78, die den Teil der Sammelplatten 68 zwischen den Stäben 74 und 76 unfassen. Die Bestrahlung der Bereiche 78 kann vorzugsweise durch Reflexionen des Strahles 32 oder geeignete Ausblendung des Strahles zu einer gewünschten Form erreicht werden.

Eine vergrößerte Darstellung der beiden Kammern 70 im Ionentrenner 40 ist in deutlicheren Abmessungen in der Fig. 3 gezeigt. In einem ersten Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß die Stromstäbe ißt den Strom in die Zeichenebene führen, während die Stromstäbe 74 den Strom aus der Zeichenebene leiten. In diesem Fall ist ein repräsentatives Magnetfeld durch Indukti ons linien 80 in der Fig. 3 angedeutet. Es soll darauf hingewiesen werden, daß im Bereich zwi-

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sehen den Stromstäben 74 und 76 das Magnetfeld am stärksten ist, während es im Bereich der Sammelplatten 68 seinen kleinsten Wert hat, und daher besteht ein Magnetfeldgradient in azimuthaler Richtung zwischen den Sammelplatten 68 und dem Bereich zwischen den Stromstäben 74 und 76- "

Zur Erläuterung der Einwirkung des Magnetfeldgradienten auf die Beschleunigung der Ionen im Dampfstrom entsprechend der Erfindung werden geladene Teilchen 82 und 84 betrachtet, die auf einer selektiven Ionisation der U -Teilchen im Dampf strom beruhen und einen Geschwindigkeitsvektor V_n nach außen haben, wie dies in der Fig. 3 gezeigt ist. Bekanntlich erzeugt diese Geschwindigkeit im Magnetfeld eine Abweichung der Teilchen 82 und 84 auf Flugbahnen, die im allgemeinen um die Magnetfeldlinien umlaufen oder kreisen. Dieses Umlaufen hat einen Kreis- oder Gyroradius oder Zirkulationsradius, der berechnet werden kann. Zur Erläuterung soll angenommen werden, daß die Teilchen 82 Elektronen sind, obwohl offensichtlich ist, daß die geladenen Ionen 84 aus U _ im allgemein '-neutralen Plasma den gleichen Kräften unterliegen. Wenn der Rotationsradius der geladenen Teilchen ausreichend klein ist, was ein ausreichend starkes Magnetfeld voraussetzt, damit ein Teilchen innerhalb enger Abmessungen umläuft, die klein im Vergleich zu den Abmessungen der Kammern sind, dann kann die Bewegung dieser Teilchen als adiabatisch angesehen werden, d. h. bei deren Umlaufen tritt kein merklicher Energieaustausch auf. Die gesamte Bewegungsenergie der Teilchen 82 kann dann als eine Geschwindigkeitskomponente parallel zum Magnetfeld und eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zum Magnetfeld betrachtet werden, wobei die Summe unter adiabatischen Bedingungen konstant ist.

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Weiterhin geht aus der Theorie des magnetischen Einschlusses eines •geladenen Teilchens hervor, daß der Quotient aus der Teilchenenergie senkrecht zum Magnetfeld und dem Magnetfeld eine konstante Bewegungsgröße für das adiabatische System ist, die als ju, das magnetische Moment, definiert wird. Im Fall eines Elektrons 82 ist μ definiert durch I|-r , wobei rg den Elektronen-Kreisradius und I den durch das umlaufende Teilchen dargestellten Strom bedeuten. Auf ähnliche Weise sind die jeweiligen Quotienten aus den senkrechten Teilchenenergien an verschiedenen Punkten und· den Magnetfeldstärken an diesen Punkten unter den festgelegten Bedingungen gleich. Da die umlaufenden Teilchen diamagnetisch sind oder das Magnetfeld lokal verringern, wirkt auf diese Teilchen eine Kraft zu einem schwächeren Feldbereich ein und sie erfahren eine Verschiebung gegen die Platten 68. Aus diesen theoretischen Überlegungen kann gefolgert werden, daß an einem Punkt im Magnetfeld alle Energie zwingend in die senkrechte Geschwindigkeit konzentriert ist, wenn die Größe des Magnetfeldes ausreichend ist, und dort liegt als Ergebnis keine parallele Geschwindigkeit vor. Das Ergebnis dieser Theorie ist ein magnetischer Einschluß- oder Flascheneffekt, der die Teilchen 82 zwischen Bereichen der maximalen Feldstärke hin- und herprallen läßt. Da die Stäbe 74 und 76 linear sind, ist der magnetische Einschluß linear. Wenn jedoch Sammelplatten 68 in der Fig. 3 auf der Bahn der Elektronen liegen, so verlaufen diese nur so weit wie die Platten 68.

Aus der Forderung nach der Ladungsneutralität im Plasma folgt, daß die Beschleunigung der Elektronen 82 zu den Platten 68 die Ionen 84 zu den Platten 68 treibt, um diese dort zu sammeln, was auf der selektiven Ionisation beruht. Überlegungen zu den Ladungsaustauschreaktionen lassen es vorteilhaft erscheinen, daß das Magnetfeld aus-

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reichend stark ist, und daß die Abmessungen der Platten 68 ausreichend klein sind, um zu einer Beschleunigung der Ionen 84 des U

in Richtung der Platten 68 zu führen, bevor die Ionen Ladung mit neutralen Teilchen, insbesondere U -Teilchen, austauschen, so daß ein

Zoo

Sammeln der U„_„-Teilchen oder ein Verlust der ionisierten U ZOo ■

Teilchen möglich ist.

Wenn das Magnetfeld ausreichend stark ist, so daß der Kreisradius nicht nur der Elektronen, sondern auch der Ionen 84 ausreichend klein ist, um adiabatische Zustände für die Ionenbewegung unter dem Einfluß des Magnetfeldes zu erzeugen, können die Ionen direkt zu den Platten 68 durch Einwirkung des Magnetfeldgradienten beschleunigt werden, wie dies oben erläutert wurde. Überlegungen .zum Ladungs-

austausch begrenzen die Abmessungen der Platten 68, einschließlich deren Trennung oder Abstand, was auch für die Bedingungen für das Magnetfeld und dessen Gradienten gilt.

Die auf dem Magnetfeldgradienten beruhenden Beschleunigungen ermöglichen eine leistungsfähige Einrichtung zur Trennung ionisierter Teilchen von unionisierten Teilchen im Dampfstrom. Das Magnetfeld besteht jedoch im Bereich der selektiven Ionisation und kann demgemäß die Selektivität der Laserionisation durch Aufspaltung der Energie- oder Quantenniveaus in einen Bereich von Niveaus verschlechtern, was als Zeeman-Effekt bekannt ist. Diese Aufspaltung der Energieniveaus dehnt auch den Bereich der erlaubten Übergänge zwischen zwei beliebigen Niveaus aus und verbreitert demgemäß die entsprechende Absorptionslinie für den Übergang zwischen diesen Niveaus. Für die selektive Isotopenionisation von Uran ist es wesentlich, daß zwischen eng benachbarten Linien für U_oo_ und U₀₀₀ unterschieden werden kann.

Ζό Zoo

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Eine Verbreiterung dieser Linien aufgrund der Zeem an- Auf spaltung führt zu einer Überlappung dieser benachbarten Linien und beeinträchtigt oder zerstört so die Selektivität der Ionisation. Das Ausmaß der auftretenden Überlappung hängt von der Magnetfeldstärke ab, während die Durchführbarkeit und Leistungsfähigkeit der Beschleunigung des Magnetfeldes auch von einem hohen Magnetfeld von beispielsweise einem oder mehreren kG abhängt, um einen ausreichenden Feldgradienten von beispielsweise 0,5 kG/cm aufrecht zu erhalten.

In einem typischen Fall, wie dieser in der Fig. 1 dargestellt ist, hat die Strahlungsenergie im Strahl 32 wenigstens eine Wellenlänge der anregenden Strahlung und eine Wellenlänge der ionisierenden Strahlung. Die anregende Strahlung ist genau abgestimmt, damit sie mit einer Absorptionslinie des gewünschten Isotops übereinstimmt, um einen Übergang von im allgemeinen einem Grundenergieniveau zu einem erhöhten Energieniveau oder zwischen erhöhten Energieniveaus zu erzeugen. Wenigstens eine dieser Strahlungen ist isotopenselektiv, und es ist wichtig, die Zeeman-Aufspaltung in der Linie zu verringern, auf die abgestimmt ist. Die ionisierende Strahlung erzeugt einen Übergang zum Kontinuum und muß so weniger weichtig selektiv gehalten werden, wenn nicht Selbstionisations-Absorptionslinien verwendet werden.

Das Ausmaß, in dem ein starkes Magnetfeld ohne Selektivitätsverlust verwendbar ist, kann verbessert werden, indem die Polarisation des transversalen elektrischen Feldvektors in der einwirkenden Laserstrahlung parallel zum Magnetfeld in den Bereichen 78 gehalten wird, wie dies durch die elektrischen Feldvektoren 86 dargestellt ist. Durch die Beibehaltung dieser Polarisation wird die Zeeman-Aufspaltung oder Verbreiterung der Absorptionslinien für die Uranisotope verringert, die

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sonst die tatsächliche Trennung verringern und die Selektivität und Leistungsfähigkeit der Ionisation beeinträchtigen würde. Der Polarisationsvektor 86 kann durch Verwendung der getrennten Laser-Strahlen 32 für jede Kammer 78 oder durch Reflexion der Strahlung in jedem Strahl mit Folgen 87 von Spiegeln und Faraday-Drehgliedern oder Polarisationsfiltern (Fig. l) aufrecht erhalten werden.

In der Fig. 4 ist eine Abwandlung im Magnetfeldgradienten dargestellt, der durch die Stromstäbe 74 und 76 erzeugt wird. Während in der Fig. 3 die oberen und unteren Reihen der Stromstäbe 76 und 74 jeweils den Strom in gleicher Richtung in jeder Reihe leiten, wechseln in der Fig. 4 die Stäbe in der Stromrichtung von einem Stromstab zum anderen in der gleichen Reihe ..ab, wie dies dargestellt ist. Dies erzeugt ein Magnetfeld, das sich in azimuthaler Richtung dem Wert 0 in der Nähe der Sammelplatten 68 nähert und den Magnetfeldgradienten verstärkt.

Das durch den Strom in den Stäben 74 und 76 der Fig. 3 erzeugte Magnetfeld ist vorzugsweise in sich geschlossen, wie durch eine Spulenanordnung oder einen Strom pfad 88 hoher Polarität (Fig. 2). Der Pfad 88 wirkt als Stromleiter zwischen entgegengesetzten Enden des Stapels der Kammern 70 und verhindert eine Störung zwischen den durch die stromleitenden Stäbe 74 und 76 erzeugten Magnetfeldern und dem Magnetfeld, das zur Fokussierung des Elektronenstrahls 60 auf eine Linie oder eine Folge von Punkten auf der Oberfläche der Uranmasse 54 verwendet wird.

Wenn die Abmessungen der Vorrichtung in Betracht gezogen werden, so sind die folgenden Erläuterungen noch nützlich: Wenn die magnetische

Induktion ausreichend groß ist, damit sich die Ionen adiabatisch verhalten, müssen die Ionen zu einer Sammelplatte abgelenkt werden, bevor sie Ladung austauschen. Dies bedeutet, daß VO zur Sammeleinrichtung ungefähr gleich zu V , der Teilchenstromgeschwindigkeit, sein muß. Wenn die Plattentrennung oder der Plattenabstand S ist und sich das Magnetfeld im Verhältnis R von seinem Maximalwert unter der Stromspule zur Sammelplatte 68 ändert, dann gilt:

V. B R - 1 .

B 2n<r
ο

mit B = Wert von B bei der Sammelplatte, s

V = relative Geschwindigkeit,

V = Teilchenstromgeschwindigkeit,
CT = Ladungsaustausch-Querschnitt,

B = Feldstärke im Ionisationspunkt, und

η = Teilchendichte.

Wenn die Elektronen die einzigen geladenen adiabatischen Teilchen sind, ist ihre elektrostatische Raum ladung senerg ie, die gleich ihrer kinetischen Energie ist, für die Beschleunigung verfügbar, und es sollen möglichst energiereiche Elektronen vorliegen.

Die oben erläuterte Vorrichtung verwendet Magnetfeldgradienten, um Ionen aus einer Plasma-Umgebung abzuscheiden. Hierbei sind selbstverständlich zahlreiche Änderungen möglich.

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Claims

Patentansprüche

(Ck

/Verfahren zur Trennung von Ionen einer Isotopenart aus einem Bereich in einem Isotopentrenner, in dem die eine Isotopenart in dem Bereich mit einem Teilchenstrom aus mehreren Isotopenarten durch Strahlungsenergie selektiv ionisiert wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Anlegen eines Magnetfeldes an den Bereich einschließlich der Ionen der einen Isotopenart, und

Erzeugen einer relativen Polarisation des einwirkenden Magnetfeldes in bezug auf die Strahlungsenergie, um eine verringerte Absorptionslinienbreite für die Teilchen des Bereiches in Abhängigkeit von der Strahlungsenergie zu erzeugen, wobei das angelegte Magnetfeld den Strom der ionisierten Teilchen des Bereiches ablenkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgelenkten Ionen im Abstand von den anderen Komponenten des Bereiches gesammelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Sammeln Platten (68) vorgesehen werden, die die Ionen sammeln.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebaute Polarisation des Magnetfeldes und der Strahlungsenergie eine Polarisation der Strahlungsenergie in bezug auf das Magnetfeld ist,

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das im allgemeinen die Zeeman-Aufspaltung der Energieniveaus der Teilchen der einen Isotopenart möglichst klein macht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einwirkende Strahlungsenergie mehrere Wellenlängen entsprechend den Anregungs- und Ionisationsübergängen aufweist, und daß die Polarisation in bezug auf die Anregungs weilenlängen durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im einwirkenden Magnetfeld ein Gradient erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Einwirkung des Magnetfeldes auf den Bereich elektrische Ströme in mehrere, im wesentlichen parallele elektrische Leiter (74, 76) im Bereich eingespeist werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die •elektrischen Leiter (74, 76) wenigstens eine erste Reihe und eine zweite Reihe bilden, wobei der durch jede Reihe geführte elektrische Strom in jeder Reihe in gleicher Richtung und in verschiedenen Reihen in unterschiedlichen Richtungen fließt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (74, 76) wenigstens eine erste und eine zweite Reihe bilden, wobei die elektrische Stromrichtung zwischen benachbarten Leitern wechselt.

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10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die elektrischen Leiter (74, 76) geführten elektrischen Ströme eine oder mehrere lineare magnetische Flaschen im Bereich erzeugen.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das angelegte Magietfeld umgekehrt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich als sich ausdehnender Dampfstrom durch die Zone des angelegten Magnetfeldes vorgesehen wird.
13. Vorrichtung für eine Anlage zur Isotopentrennung, in der ein Bereich aus einem Teilchenstrom aus mehreren Isotopenarten besteht, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (12, 28) zur Einwirkung einer Strahlungsenergie auf den Bereich des Teilchenstromes aus mehreren Isotopenarten, 'um ein Isotop hiervon selektiv zu ionisieren,

eine Einrichtung (50) zur Anlegung eines Magnetfeldes an den Bereich, um den Strom der Ionen der einen Isotopenart abzuladen, und

eine Einrichtung zur Erzeugung einer vorbestimmten Polarisation zwischen der einwirkenden Strahlungsenergie und dem angelegten Magnetfeld, um die Selektivität in der Teilchenionisation zu erhöhen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Sammeleinrichtung für die Ionen, die im Teilchenstrom von den anderen Kornponenten des Bereiches abweichen.

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15- Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ■ die Sammeleinrichtung mehrere Platten (68) zum Sammeln der Ionen aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einwirkende Strahlungsenergie in bezug auf das Magnetfeld polarisiert ist, um die Zeefnan-Auf spaltung der Energieniveaus der Teilchen der einen Isotopenart zu verringern.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisation mit dem elektrischen Strahlungsenergie parallel zu den Magnetfeldlinien ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das einwirkende Magnetfeld adiabatische Bewegungszustände für die geladenen Teilchen im Bereich erzeugt.

-
19. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (50) zur Anlegung des Magnetfeldes an den Bereich mehrere, im wesentlichen parallele, stromführende elektrische Leiter (74, 76) im Bereich aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (74, 76) eine erste und eine zweite Reihe bilden, wobei der elektrische Strom in jeder Reihe in gleicher Richtung und in verschiedenen Reihen in unterschiedlichen Richtungen fließt.

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21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (74, 76) eine erste und eine zweite Eeihe bilden, wobei die elektrische Stromrichtung zwischen benachbarten Leitern (74, 76) wechselt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (50) zur Anlegung des Magnetfeldes ein Glied aufweist, das Feldlinien erzeugt, die eine gewölbte Kurve über Abmessungen bilden, die in bezug auf die Ausdehnung der Ionenablenkung groß sind, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die die einwirkende Strahlungsenergie-Polarisation über die Ausdehnung der Kurve dreht.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch einen Umkehrpfad für das angelegte Magnetfeld.

24. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (54) zur Erzeugung eines Teilchenstromes durch die Zone des angelegten Magnetfeldes, um den Bereich zu· bilden.

25. Vorrichtung zur Trennung von Teilchen einer Isotopenart in einem Teilchenstrom für eine Isotopentrennanlage, in der ein Bereich .strömender Teilchen aus mehreren Isotopenarten besteht,

gekennzeichnet durch

mehrere, sich im wesentlichen linear erstreckende elektrische Leiter (74, 76), die wenigstens in einer ersten und einer zweiten Reihe vorgesehen sind und sich im allgemeinen senkrecht zur Teilchenstromrichtung erstrecken,

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eine Einrichtung zur Einspeisung eines elektrischen Stromes in die Leiter (74, 76), um einen Magnetfeldgradienten im Bereich der Leiter (74, 76) zu erzeugen, wobei der Magnetfeldgradient im allgemeinen entlang der Linien zwischen den Reihen in einer zum Teilchenstrom senkrechten Richtung verläuft, und

eine Einrichtung (12, 28) zur Einwirkung einer Strahlungsenergie auf den Teilchenstrom im Bereich der Leiter (74, 76), mit einer Strahlungskennlinie zur Erzeugung einer selektiven Ionisation der einen Isotopenart.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (74, 76) eine erste und eine zweite Reihe von Stfomstäben bilden, wobei die Stromrichtung in jedem Stab einer Reihe gleich ist und sich zwischen den Reihen der Stromstäbe ändert.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (74, 76) in einer ersten und einer zweiten Reihe vorgesehen sind, wobei die Stromrichtung in jedem Leiter von der Stromrichtung in benachbarten Leitern verschieden ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die eine vorbestimmte Polarisation der einwirkenden Strahlungsenergie in bezug auf die Magnetfeldrichtung des Magnetfeldgradienten aufrecht erhält, um die Zeeman-Aufspaltung der Energieniveaus der Teilchen im Teilchenstrom zu verringern.

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