DE2740272A1 - Verfahren zum trennen von zwei isotopen eines stoffes - Google Patents
Verfahren zum trennen von zwei isotopen eines stoffesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von zwei Isotopen eines Stoffes.
Die Erfindung nutzt in einer bekannten Anordnung die kombinierte Wirkung aus, die ein zeitlich konstantes,
gleichförmiges Magnetfeld und' ein sinusförmiges elektrisches Feld hoher Frequenz, das zu ihm senkrecht ist,
auf ein die zu trennenden Isotope enthaltendes Plasma ausüben (vgl. "Electromagnetic Separation of Isotopes in
Commercial Quantities", Edition Wakerling & Guthrie, Kapitel 12, "The Resonance Method", von J. R. Richardson).
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Unter der Wirkung dieser Felder laufen die ionisierten Atome der Isotope in der Struktur, in der das Plasma
enthalten ist, auf Bahnen um, die insbesondere von ihren Massen abhängig sind. Es ist auf diese Weise möglich,
vorzugsweise eines von ihnen auf Elektroden aufzufangen, die manche dieser Bahnen schneiden.
Das Verfahren nach der Erfindung ist, wie folgende Darlegungen zeigen werden, besonders leicht in demjenigen
Fall anwendbar, in weichem zwei Isotope in sehr verschiedenen Verhältnissen in dem Plasma vorliegen, wie die Isotope
U_,c und U01Q des Urans. Im folgenden wird dieses Bei
spiel angeführt und wiederholt darauf Bezug genommen,
ohne daß die Erfindung, die für diesen Fall der Einfachheit der Darstellung halber beschrieben wird, auf dieses
Beispiel beschränkt ist.
eigenfrequenz oder Zyklotronfrequenz f in Hertz der
+ c
f * 6,54 B, wobei B die magnetische Induktion in dem
Plasma bezeichnet, gemessen in Gauß. Die entsprechende Kreisfrequenz cü ist ού - 2n f . Allgemein gilt
f - ·= B, wobei m die Masse des Ions und e seine
c 2π m *
elektrische Ladung bezeichnet.
Für eine Frequenz f des elektrischen Feldes, die etwa gleich der vorgenannten Resonanzfrequenz f ist, beschreiben die Ionen des Isotops U--,. Spiralbahnen, deren Radius
mit ihrer Entfernung ζ von der Quelle, aus der sie stammen,
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ständig zunimmt. Die Struktur, in der diese Bewegung stattfindet, besteht typischer- und bekannterweise aus
zwei Elektroden in Form von ebenen und parallelen Platten, an die eine sinusförmige Potentialdifferenz angelegt
wird, welche das zu diesen Platten senkrechte elektrische Feld erzeugt, und aus einer Ionenquelle, die an
einem der Enden des zwischen ihnen gelegenen Raums, dem Eingang der Vorrichtung, angeordnet ist.
Die Ionen U __o des anderen Isotops, deren Resonanzfre-
ί JO
quenz f' von der Frequenz f weiter entfernt ist, folgen
Bahnen, deren Radius sich längs der Achse der Struktur zwischen zwei Werten periodisch ändert, von denen der
größte bei gewissen Betriebsbedingungen wesentlich kleiner ist als der
ihrer Bahn.
ihrer Bahn.
ist als der des Radius der Bahn der Ionen U ___ am Ende
Es ist zu erkennen, daß es unter diesen Bedingungen möglich i: wie oben erwähnt, bevorzugt die leichten Ionen am Ende ihrer
Bahnen auf den bewußten Elektroden aufzufangen, die nicht durch die schweren Ionen erreicht werden, welche getrennt
auf einem Kollektor aufgefangen werden, der am anderen Ende der Struktur angeordnet ist. Auf diese Weise werden
die Ionen derjenigen Spezies, von der wenig vorhanden sind, d.h. derjenigen Spezies, die angereichert
werden soll, im folgenden die Spezies 1, von denen der anderen oder unerwünschten Spezies 2 getrennt.
Diese Art der Trennung stößt jedoch auf eine große
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Schwierigkeit, wenn zur Erzielung industrieller Mengen dichte Plasmen benutzt werden. Es ergibt sich dann ein
Abschirmungseffekt, denn das Plasma verhält sich wie ein guter Leiter, in den das elektrische Feld schlecht
eindringt. Dieser Effekt hängt von dem Aufbau des Plasmas ab, d.h. von den verschiedenen Teilchen, die es
enthält, und von ihren Anteilen in demselben sowie von dem Wert ihrer Zyklotronfrequenzen gegenüber dem des
elektrischen Erregerfeldes. Er ist gemäß der elektromagnetischen Theorie auf die natürliche Polarisation
zurückzuführen, die sich im Innern des Plasmas ausbildet.
Man kann sich davon eine Vorstellung machen, wenn man
den Polarisationsvektor P betrachtet, für den folgender Ausdruck gilt:
wobei die Summe ^ auf alle ionisierten Teilchen ausgedehnt
wird, die in dem Plasma vorhanden sind, wobei q, ihre individuelle Ladung bezeichnet und wobei r.
ihre geometrische Verschiebung unter der Einwirkung des elektrischen Feldes bezeichnet, während k der Index der
Teilchen ist.
Wenn Besetzungen gleicher Teilchen oder derselben Spezies vorhanden sind, kann für den vorstehenden Ausdruck auch
geschrieben werden:
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In diesem Fall ist i der Index der Besetzungen, q, bezeichnet ihre Ladung und η. die Anzahl von Teilchen
jeder Spezies.
Dieser Effekt ist um so ausgeprägter, je größer die Gesamtpolarisation des Plasmas ist, die gleich der
Summe der Teilpolarisationen jeder der Spezies von Teilchen ist, die es enthält. Aber gleichzeitig weist
für ein gegebenenes Teilchen der Radius der Bahn diese regelmäßige Zunahme längs der Ausbreitungsachse, von
der die Rede gewesen ist, nur dann auf, wenn seine Zyklotronfrequenz sehr nahe bei der Frequenz des elektrischen
Erregerfeldes liegt. Schließlich ändert sich infolge der natürlichen Instabilitäten der Plasmen, vor allem aufgrund der am reichlichsten vorhandenen Spezies, die
Frequenz der elektrischen Felder im Innern des Plasmas geringfügig, und zwar selbst bei festen Erregerbedingungen, nämlich der magnetischen Induktion B und dem
elektrischen Feld der Frequenz ω , die man nach dem gegenwärtigen Stand der Plasmatechnik mit großer Genauigkeit stabilisieren kann. Diese Instabilitäten verursachen
Schwankungen des Maximalwertes E des sinusförmigen elektrischen Feldes E sin Ot mit der Zeit t, der zeitlich moduliert wird. Es gilt dann E = E (t). Jede
° oo
Änderung der Größe ω um die Zyklotronkreisfrequenz u? ,
des Teilchens der gesuchten Spezies reduziert aber den Wert der Polarisation, die ihm in dem Plasma entspricht,
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und daher die Trennungsmöglichkeiten. Weiter unten ist
der Ap-druck dieser Polarisation noch genauer angegeben.
Aufgrund der Gleichung der Bewegung eines ionisierten Teilchens in einem sinusförmigen elektrischen Elementarfeld E = E sin cot der Kreisfrequenz α) , das in der
x-Richtung senkrecht zu den Platten ausgerichtet ist, ergibt sich als Ausdruck der Gesamtpolarisation des
Mediums:
P -E ζ Ü^i! ι (D
X ι In1 coci2 _ω2
wobei α? . die Zyklotronkreisfrequenz des Teilchens
der Spezies i bezeichnet und wobei q., m. und n. seine
elektrische Ladung bzw. seine Masse bzw. die Anzahl von Teilchen dieser Spezies, die pro Volumeneinheit in dem
Plasma vorhanden sind, bezeichnen.
Die Betrachtung eines solchen Elementarfeldes ist durch die Tatsache gerechtfertigt, daß es in einem gleichförmigen
Medium und ungeachtet der Dauer der Bewegung des Teilchens immer möglich ist, das elektrische Feld in Fourier-Integrale zu zerlegen.
DieserAusdruck zeigt, daß die Gesamtpolarisation des
Plasmas, im folgenden mit P bezeichnet, sich mit den
Abweichungen CO . - c*3 aufgrund der Tatsache des Vorhandenci 2 2
seins der Glieder ο - CO schnell ändert.
ei
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Es ist möglich, in dem Fall von zwei Spezies der
Indic 1 und 2 die Kreisfrequenz cJ des Erregerfeldes
derart zu wählen, daß diese Polarisation zu Null gemacht und das Eindringen des elektrischen Feldes in das Plasma
erleichtert wird.
nl ql 1 . n2 q2
ml wcl2 -CO 2 m2
0 (2)
die mit q. β q~ und unter Berücksichtigung der umgekehrten
Proportionalität zwischen den Massen m und den Kreisfrequenzen <*» auf folgende Bedingung führt:
co ^ co η . El Αξ. \
el n2 m
wobei Am die Massenabweichung zwischen den beiden Isotopen und m die mittlere Masse dieser Isotope bezeichnet. Es ist zu erkennen, daß in dem Fall des oben betrachteten Urans, in welchem m, die Masse 235 des leichten Isotops und m_ die Masse 238 des schweren Isotops
ist und in welchem gilt —r - -rrrr , diese Bedingung
auf CJ - ω (1-0,0001), d.h. auf einen äußerst schmalen Bereich von 1/10 000 für die Kreisfrequenz erführt.
Es ist daher nach dem Stand der Technik zwar möglich, zwei Spezies durch Aufbauen eines magnetischen Feldes
und eines elektrischen Feldes, die gekreuzt zueinander sind, zu trennen, diese Trennung erweist sich jedoch
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aufgrund der natürlichen Schwankungen der Polarisation und des elektrischen Feldes als äußerst kritisch.
Durch das Verfahren nach der Erfindung soll diese Schwierigkeit beseitigt werden. Zu diesem Zweck ist
erfindungsgemäß vorgesehen, mit den beiden zu trennenden
Spezies eine dritte Spezies zu mischen, deren Masse und deren Konzentration in dem Plasma so gewählt werden, daß
die Polarisation aufgrund dieser dritten Spezies im wesentlichen gleich der aufgrund der unerwünschten,
am reichlichsten vorhanden Spezies, d.h. des Isotops 238 in dem zuvor betrachteten Fall des Urans, ist und das
entgegengesetzte Vorzeichen hat. Es wird sich zeigen, wie das Hinzufügen dieser dritten Spezies den kritischen
Charakter des Verfahrens reduziert. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Konzentration dieser
Spezies in dem Plasma darüberhinaus im wesentlichen gleich der der unerwünschten Spezies. Anschließend wird die
hinzugefügte Spezies, z. B. auf chemischem Wege, zurückgewonnen, um sie wiederverwenden zu können.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigen:
zeigt, die das Verfahren nach der Erfindung gegenüber den bekannten Verfahren mit sich bringt, und
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Fig. 2 ein Beispiel einer Anlage zur Durch
führung des Verfahrens nach der Erfindung.
Es wird außerdem ersichtlich werden, daß durch Einführen der dritten Spezies von Teilchen in das Medium Bedingungen
geschaffen werden, die für die Polarisationsschwankungen des Mediums aufgrund der unerwünschten Spezies,
nämlich der Teilchen der vorgenannten Spezies 2 und der der hinzugefügten Spezies 3, ungünstiger werden.
Die Schwankungen aufgrund der beiden Spezies von reichlich vorhandenen Teilchen, deren Polarisationen in derselben
Größenordnung liegen, sind nämlich nicht unabhängig voneinander. Es gibt eine Korrelation zwischen ihnen
und sie können sich unter Bedingungen, die im folgenden ausführlich dargelegt sind, gegenseitig kompensieren.
Die Einführung dieser dritten Spezies in das Plasma gemäß dem Trennungsverfahren nach der Erfindung unter
den im folgenden angegebenen Bedingungen hat daher zur Folge, daß der kritische Charakter der Trennung durch die
weiter oben angegebenen bekannten Verfahren noch weiter reduziert wird.
Der dritten Spezies des Plasmas des Verfahrens nach der Erfindung wird im folgenden der Index 3 zugeordnet, n^,
m^j q und co , bezeichnen die zuvor betrachteten Größen,
die ihr entsprechen.
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- 12 - 27A0272
Die Gesamtpolarisation P im Innern des Plasmas ist dann die Summe der Polarisationen P. und P? aufgrund der beiden zu trennenden Isotope mit den Indices 1 und 2 und der
Polarisation P, aufgrund des hinzugefügten Elements. Es
gilt:
2 2 2 2 2 el c2 c3
und c
folgt : qL = q2
Gemäß der Erfindung werden b und c so gewählt, daß die Summe der beiden letzten Glieder, P7 und P-, bei der
Zyklotronresonanz der Spezies 1, deren Anreicherung gewünscht wird, Null ist, was folgende Gleichung ergibt:
2 2 2
co J - co / ω J- - co '
c2 el c3 el
2 2 η, m cj, - Ο) -
-J- = —L Si c3 (4)
n2 m2 ^c22 - co 2
cl
In der bewußten bevorzugten Ausgestaltung wird eine Masse m_ gewählt, deren Differenz mit der Masse m. im Aboslutwert gleich und im Vorzeichen entgegengesetzt zu der zwischen der Masse m„ des unerwünschten Isotops und der
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- 13 - 27Λ0272
Masse m, des gesuchten Isotops ist; es gilt m., = 2m. - m»·
Unter diesen Bedingungen ist die Masse m., etwa gleich der
der Isotope und in der Gleichung (4) ist das zweite Glied
3
etwa gleich 1; das Verhältnis — ist daher ebenfalls etwa
etwa gleich 1; das Verhältnis — ist daher ebenfalls etwa
n2
gleich 1: die Ionenkonzentration der hinzugefügten Spezies 3 in dem Plasma ist etwa gleich der der Ionen des unerwünschten Isotops 2. Die Anlagen, in denen das Verfahren nach der Erfindung angewandt wird, werden so eingestellt, daß die Bedingungen der Zyklotronresonanz der Spezies 1 erfüllt sind.
gleich 1: die Ionenkonzentration der hinzugefügten Spezies 3 in dem Plasma ist etwa gleich der der Ionen des unerwünschten Isotops 2. Die Anlagen, in denen das Verfahren nach der Erfindung angewandt wird, werden so eingestellt, daß die Bedingungen der Zyklotronresonanz der Spezies 1 erfüllt sind.
In dem Fall des Urans hat m^ den Wert 232. Vorzugsweise
wird als dritte Spezies Thorium mit der Atommasse 232 gewählt, das radioaktiv stabil und relativ reichlich
vorhanden ist. In dem Plasma werden Ionen Th ___ mit
einer Dichte erzeugt, die gleich der der Ionen U „_ft ist.
Es wird, allgemein gesagt, gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung auf einem beliebigen Wege, physikalisch oder
chemisch, in das Plasma aus zwei Isotopen mit sehr ungleichen Verhältnissen,das zum Trennen des in geringem Verhältnis
vorhandenen Isotops der Atommasse m1 von dem anderen, überwiegend vorhandenen Isotop der Atommasse m"benutzt wir«
eine dritte Spezies der Atommasse m"' eingefügt, so daß
gilt m"' = 2m1 - m", und in einer Menge, die im wesentlichen
gleich der des überwiegend vorhandenen unerwünschten Isotops ist.
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Die Verbesserung, die durch die Erfindung erzielt wird, wird im folgenden für den besonderen Fall des Urans
anhand des Diagramms von Fig. 1 ausführlich dargelegt.
Diese Diagramm zeigt in kartesischen Koordinaten die Polarisation P in Abhängigkeit von der Kreisfrequenz to.
Es ist angenommen worden, daß die Differenzen ο _ - 0^1
und co „ - to , im Absolutwert im wesentlichen gleich
c2 el
waren.
In ausgezogener Linie ist die Kurve II der Polarisation P„ aufgrund der Spezies 2 mit der Zyklotronkreisfrequenz
co 9 in einem Plasma aus zwei Ionen der Spezies 1 und 2
dargestellt. Die bewußte Polarisation P„ aufgrund der Teilchen der unerwünschten Spezies 2 ist bei der Zyklotronresonanz
der Spezies 1 gleich dem Ordinatenwert des Punktes A.
In ausgezogener Linie zeigt die Kurve III die Polarisation P- aufgrund der Kompensationsspezies 3 der Zyklotronkreisfrequenz
C*> , und anhand der in ausgezogener
Linie dargestellten Kurve (C) die der Gesamtheit der beiden Spezies 2 und 3 des Verfahrens nach der Erfindung.
Es ist zu erkennen, daß die Polarisation aufgrund der beiden vereinigten unerwünschten Spezies 2 und 3 kleiner
als die der unerwünschten Spezies allein bei den bekannten Verfahren in einem ganzen Kreisfrequenzintervall Δοο um
die Kreisfrequenz CJ bleibt. Dieses Intervall ist das-
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jenige, das durch die Parallele zu der Ordinatenachse begrenzt wird, die durch den Punkt A hindurchgeht.
Es ist daher möglich, durch d'e Einführung der Ionen
der dritten Spezies in das Plasma gemäß dem Verfahren nach der Erfindung Änderungen der Frequenz des angelegten
elektrischen Feldes zu tolerieren, die sich über dieses gesamte Intervall erstrecken, sowie die PlasmaSchwankungen,
die zu ihrem Entstehen führen, ohne eine Polarisation des Plasmas durch die beiden unerwünschten Spezies
zu überschreiten,die größer als die aufgrund des alleinigen
Vorhandenseins des unerwünschten Teilchens bei den bekannten Verfahren ist.
Es ist darüberhinaus zu erkennen, daß die Polarisation P, aufgrund des leichten Isotops U„_t. im Absolutwert
größer als die Summe der Polarisationen P~ und P_ aufgrund
der beiden anderen Spezies U__R und Th9 „ in einem
gesamten FrequenzIntervall bleiben wird, das mit Hilfe
der Gleichung (3) berechnet werden kann. Dieses Intervall ist für Uran, für das m. - m^ s m„ - m, =3 gilt, gleich
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— " ^s ^sL a^er 8ezeigt worden, daß in dem Fall eines Plasmas, das nur die beiden Isotope des Urans enthält, dieses Intervall, wie es sich aus der Gleichung (2) ergab, nur betrug. Man verfügt daher, wenn sonst im übrigen alles gleich ist, über ein Frequenzintervail, das ungefähr achtmal größer ist. Die Trennung erweist sich daher in der Frequenz als weniger kritisch als bei den bekannten Verfahren. Das ist ein großer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung.
— " ^s ^sL a^er 8ezeigt worden, daß in dem Fall eines Plasmas, das nur die beiden Isotope des Urans enthält, dieses Intervall, wie es sich aus der Gleichung (2) ergab, nur betrug. Man verfügt daher, wenn sonst im übrigen alles gleich ist, über ein Frequenzintervail, das ungefähr achtmal größer ist. Die Trennung erweist sich daher in der Frequenz als weniger kritisch als bei den bekannten Verfahren. Das ist ein großer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung.
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Es ist möglich, wenn im übrigen sonst alles gleich ist,
eine schnellere Trennung vorzusehen als im Stand der Technik, d.h. kürzere Plasmen. Das ist ein Vorteil des
Verfahrens nach der Erfindung, der mit dem vorhergehenden korreliert ist.
Fig. 2 zeigt ein Schema einer Anlage, die nach dem Verfahren nach der Erfindung arbeitet.
In Fig. 2 bezeichnet die Bezugszahl 10 die Ionenquelle, welches in dem Beispiel die einzige Quelle ist, in der
die Ionen der drei Spezies erzeugt werden, welche mit den eingekreisten Bezugszahlen 1, 2 und 3 bezeichnet sind.
Die Bezugszahlen 12 und 14 bezeichnen zwei parallele ebene Platten, zwischen denen die Differenz des Wechselpotentials V der Kreisfrequenz co ,, die gleich der Zyklotronkreisfrequenz des Teilchens ist, dessen Anreicherung
gewünscht wird, aufgebaut wird, unter deren Wirkung sich das elektrische Feld If, das in der x-Richtung senkrecht
zu der Richtung dieser Platten gerichtet ist, in der Plasmaschicht aufbaut, die durch die punktierte Fläche
dargestellt und von diesen Platten durch Hüllen g getrennt ist. Auf den Platten 12 und 14 wird an ihrem Ende,
das zu dem der Quelle benachbarten entgegengesetzt ist, die Spezies 1 gewonnen. Die Spezies 2 und 3 werden durch
den Kollektor 16 aufgefangen, der mit dem Mittelpunkt der Speisespannungsquelle 18 verbunden ist.
Das eingekreiste Kreuz stellt das senkrecht zu der Ebene von Fig. 2 angelegte Magnetfeld dar.
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Le e rs e i t e
Claims (4)
- PATENTANSPRÜCHE:IJ Verfahren zum Trennen von zwei Isotopen eines St <"fes unter Verwendung eines Plasmas, das in sehr ungleichen Verhältnissen Ionen der Isotope enthält und auf das ein zeitlich konstantes, homogenes Magnetfeld sowie ein zu diesem senkrechtes elektrisches Hochfrequenzfeld, dessen Frequenz im wesentlichen gleich der Zyklotronfrequenz in dem Plasma des Ions des am wenigsten vorhandenen Isotops ist, einwirken, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Plasma Ionen einer dritten Spezies in einem durch folgende Formel definierten Verhältnis vorhanden s ind:n.n,'el'wc22 - "el2in der die Buchstaben m, η und ω die Masse bzw. dieB O 9 B 1 Π / 1 O 1 7Anzahl pro Volumeneinheit oder die Konzentration bzw. die Zyklotronkreisfrequenz jeder Art von Ionen in dem Plasma bezeichnen, mit dem Index 1 für das Iostop mit der geringsten Häufigkeit, dem Index 2 für das andere Isotop und dem Index 3 für die dritte Spezies, wobei das Verfahren gestattet, an zwei Elektroden, zwischen denen das Plasma eingeschlossen ist, insbesondere die Ionen des Isotops mit der geringsten Häufigkeit und auf einem getrennten Kollektor die Ionen des anderen Isotops und die der dritten Spezies aufzufangen.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen n„ und n_ im wesentlichen gleich sind, und daß die Masse ra_ derart gewählt wird, daß die Gleichung m, - 2m. - m- im wesentlichen erfüllt ist.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Isotope die beiden Isotope U-.,. und des Urans sind und daß die dritte Spezies ausThorium Th-.- besteht.
- 4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden zwei parallele ebene Platten sind und daß die Ionen der beiden Isotope und der dritten Spezies von einer einzigen Quelle geliefert werden, die an einem der Enden des Raums angeordnet ist, der durch diese Platten begrenzt ist, in den das Plasma eingeschlossen ist ,und dessen Kollektor das andere Ende einnimmt.809810/1017
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2705584A1 (fr) * | 1993-05-26 | 1994-12-02 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de séparation isotopique par résonance cyclotronique ionique. |
US5422481A (en) * | 1993-05-26 | 1995-06-06 | Louvet; Pierre | Device for isotope separation by ion cyclotron resonance |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2363364A1 (fr) | 1978-03-31 |
DE2740272B2 (de) | 1980-11-13 |
DE2740272C3 (de) | 1981-10-08 |
US4167668A (en) | 1979-09-11 |
FR2363364B1 (de) | 1979-03-02 |
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