RU2411067C1 - Method of isotope separation and device to this end - Google Patents
Method of isotope separation and device to this end Download PDFInfo
- Publication number
- RU2411067C1 RU2411067C1 RU2009124133/05A RU2009124133A RU2411067C1 RU 2411067 C1 RU2411067 C1 RU 2411067C1 RU 2009124133/05 A RU2009124133/05 A RU 2009124133/05A RU 2009124133 A RU2009124133 A RU 2009124133A RU 2411067 C1 RU2411067 C1 RU 2411067C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- ions
- mass
- azimuthator
- isotope
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам и устройствам для электромагнитного плазменного разделения изотопов и получения ядерно-чистых веществ и может быть использовано при производстве стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов. Основными областями применения изотопов являются ядерная энергетика - топливо для атомных электростанций, конструкционные материалы в реакторостроении, замедлители и поглотители нейтронов, использование изотопов в квантовых стандартах частоты и длины, исследование структуры и свойств веществ методами ядерного магнитного резонанса, терапевтическая ядерная медицина, радиационная стерилизация, разведение растений с помощью радиационно-индуцированных мутаций, изотопные индикаторы - изучение распределения и путей перемещения вещества в разнообразных системах.The invention relates to methods and devices for electromagnetic plasma separation of isotopes and the production of nuclear-pure substances and can be used in the production of stable and radioactive isotopes of chemical elements. The main areas of application of isotopes are nuclear energy - fuel for nuclear power plants, structural materials in reactor engineering, neutron moderators and absorbers, the use of isotopes in quantum frequency and length standards, the study of the structure and properties of substances by nuclear magnetic resonance methods, therapeutic nuclear medicine, radiation sterilization, breeding plants using radiation-induced mutations, isotopic indicators - the study of the distribution and ways of moving substances in a variety of systems.
Для удовлетворения настоящих потребностей промышленности и медицины в изотопах используются многоступенчатый центрифужный и одностадийный электромагнитный методы. Причем области их применения сейчас не пересекаются: первый дает в промышленных количествах изотопы и химически чистые вещества, выделяемые из химических соединений с высокой упругостью пара при комнатной температуре, второй - используется для получения любых изотопов, из-за своей низкой производительности, в малых (диагностических) количествах.To meet the real needs of industry and medicine in isotopes, multistage centrifugal and one-stage electromagnetic methods are used. Moreover, the areas of their application do not intersect now: the first produces isotopes and chemically pure substances released from chemical compounds with high vapor pressure at room temperature in industrial quantities, the second is used to produce any isotopes, due to its low productivity, in small (diagnostic ) quantities.
Будущие потребности ставят перед исследователями задачу нахождения и промышленного использования универсального высокопроизводительного способа выделения ядерно-чистых веществ, изотопов. Среди рассматриваемых «кандидатов» наиболее привлекательными являются методы выделения изотопов из вещества, находящегося в состоянии плазмы. Электромагнитные плазменные сепараторы строятся по принципу извлечения нужных частиц из плазмы рабочего вещества. Плазма же создается по-разному: или в процессе ионизации рабочего вещества во вспомогательной плазме, или в качестве источника плазмы рабочего вещества используют плазменный ускоритель.Future needs set for researchers the task of finding and industrial use of a universal high-performance method for the separation of nuclear-pure substances, isotopes. Among the considered “candidates”, the most attractive are the methods for the extraction of isotopes from a substance in a plasma state. Electromagnetic plasma separators are built on the principle of extracting the necessary particles from the plasma of the working substance. Plasma is created in different ways: either in the process of ionization of the working substance in the auxiliary plasma, or a plasma accelerator is used as the source of the plasma of the working substance.
Известен способ разделения изотопов и устройство для его осуществления [Бондаренко Л.А., Лымарь А.Г., Папкович В.Г., Попов В.А. О возможности разделения изотопов в аксиально-симметричных магнитных полях с реверсами поля // Вопросы атомной науки и техники. - 2008. - №4. - С.308-311].A known method of separating isotopes and a device for its implementation [Bondarenko L.A., Lymar A.G., Papkovich V.G., Popov V.A. On the possibility of separation of isotopes in axially symmetric magnetic fields with field reversals // Questions of atomic science and technology. - 2008. - No. 4. - S.308-311].
Данный способ предлагает создание в аксиально-симметричном рабочем объеме сепаратора (вакуумной камере) магнитного поля, знак которого изменяется по длине 2 раза, формируя, таким образом, области с разными знаками изменяющегося по величине, в том числе и нулевого, магнитного поля. На одном из торцов камеры располагают точечный или кольцевой источник моноэнергетичных ионов, вектор скорости которых направлен вдоль оси установки. Первый реверс поля инициирует спиральное движение ионов, в процессе которого происходит пространственное разделение различных изотопов вдоль продольной оси и по азимутальному углу. При прохождении второго реверса происходит изменение величин радиусов вращения ионов и направления вращения. При этом разделение изотопов по длине камеры, и углу существенно возрастает и проявляется еще и разделение по радиусу. В расчетных местах устанавливаются приемники изотопов.This method proposes the creation of a magnetic field in an axially symmetric working volume of the separator (vacuum chamber), the sign of which changes 2 times in length, thus forming areas with different signs of varying magnitude, including zero, magnetic field. At one of the ends of the chamber there is a point or ring source of monoenergetic ions, the velocity vector of which is directed along the axis of the installation. The first reverse field initiates a spiral motion of ions, during which the spatial separation of various isotopes occurs along the longitudinal axis and along the azimuthal angle. When passing through the second reverse, the values of the radii of rotation of the ions and the direction of rotation change. In this case, the separation of isotopes along the length of the chamber and the angle increases substantially and the separation along the radius also appears. In the calculated places, isotope receivers are installed.
Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа являются:The signs of the known method, coinciding with the essential features of the proposed method are:
- создание в аксиально-симметричном рабочем объеме сепаратора (вакуумной камере) магнитного поля;- creation of a magnetic field in an axially symmetric working volume of the separator (vacuum chamber);
- на одном из торцов камеры располагают кольцевой источник ионов.- at one of the ends of the chamber have an annular ion source.
Недостатком данного способа является низкая производительность разделения изотопов из-за ограничения тока ионов «законом 3/2»The disadvantage of this method is the low productivity of the separation of isotopes due to the limitation of the ion current "
большая (J≥3,17·106 А/м2) величина плотности тока, необходимого для создания разделяющего магнитного поля, и жесткие требования на величину радиальной составляющей скорости иона в точке старта (на тепловой разброс).a large (J≥3.17 · 10 6 A / m 2 ) current density required to create a separating magnetic field, and stringent requirements on the magnitude of the radial component of the ion velocity at the start point (on the thermal spread).
Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:Signs of a known device that matches the essential features of the claimed device are:
- аксиально-симметричный рабочий объем сепаратора (вакуумная камера);- axially symmetric working volume of the separator (vacuum chamber);
- кольцевой источник ионов;- ring ion source;
- катушки для создания магнитного поля;- coils for creating a magnetic field;
- приемники изотопов.- isotope receivers.
Недостатком данного устройства является большая (L≥7 м) длина рабочего объема, в котором необходимо создавать магнитное поле большой магнитуды (сверхпроводящий магнит), и, как следствие, большой вес установки и большая (сотни кВт) потребляемая электрическая мощность.The disadvantage of this device is the large (L≥7 m) length of the working volume, in which it is necessary to create a magnetic field of large magnitude (superconducting magnet), and, as a result, a large installation weight and a large (hundreds of kW) electric power consumption.
Известен способ и устройство для разделения изотопов по патенту США №4167668 [G.Mourier. Process and apparatus for separating isotopes. Зaявл. 06.09.1977].A known method and device for the separation of isotopes according to US patent No. 4167668 [G. Mourier. Process and apparatus for separating isotopes. Claim 09/06/1977].
Данный способ определяет последовательность действий по выделению изотопов из плазмы. Один из этих изотопов (m1), который необходимо выделить, имеет низкую концентрацию в смеси, второй (m2) - доминирующую. Плазма формируется в области цилиндрического рабочего вакуумного объема с постоянным продольным однородным магнитным полем и радиальным (ортогональным к магнитному полю) высокочастотным электрическим полем. Частота электрического поля близка к ионной циклотронной частоте изотопа массой m1 - метод ионно-циклотронного нагрева - ИЦР. Из-за сканирования внешнего переменного электрического поля в результате поляризации плазмы эффективность ИЦР падает, поэтому в плазму смеси двух изотопов добавляют третий изотоп с массой m3=2m1-m2. При этом суммарная поляризация существенно падает, что облегчает проникновение электрического поля в плазму и ИЦР для выделяемых ионов. Ионы массой m1 оседают на периферийном приемнике (внутренняя цилиндрическая поверхность рабочего объема), а массами m2 и m3 - на торцевом приемнике («отвал»).This method determines the sequence of actions for the release of isotopes from plasma. One of these isotopes (m 1 ), which must be isolated, has a low concentration in the mixture, the second (m 2 ) is dominant. The plasma is formed in the region of a cylindrical working vacuum volume with a constant longitudinal uniform magnetic field and a radial (orthogonal to the magnetic field) high-frequency electric field. The frequency of the electric field is close to the ion cyclotron frequency of an isotope of mass m 1 — the ion cyclotron heating method — ICR. Due to the scanning of an external alternating electric field as a result of plasma polarization, the ICR efficiency decreases, therefore, a third isotope with a mass of m 3 = 2m 1 -m 2 is added to the plasma of a mixture of two isotopes. In this case, the total polarization decreases significantly, which facilitates the penetration of the electric field into the plasma and ICR for the released ions. Ions of mass m 1 settle on the peripheral receiver (inner cylindrical surface of the working volume), and masses of m 2 and m 3 - on the end receiver (“dump”).
Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:The signs of the known method, coinciding with the essential features of the proposed method are:
- создание постоянного продольного магнитного поля;- creating a constant longitudinal magnetic field;
- осаждение ионов изотопов на периферийном и торцевом приемниках.- deposition of isotope ions at the peripheral and end receivers.
Недостатком данного способа является необходимость подбора для каждого из вновь выделяемых изотопов соответствующего «иона компенсации поляризации», высокая (1/10000) требуемая точность частоты электрического поля и возможность выделения только одного изотопа.The disadvantage of this method is the need to select for each of the newly isolated isotopes the corresponding "polarization compensation ion", high (1/10000) required accuracy of the frequency of the electric field and the possibility of separating only one isotope.
Известное устройство включает источник ионов изотопов трех масс, рабочий вакуумный объем, в котором создается плазма, соленоид для создания магнитного поля, внешний источник электрического поля и периферийный и торцевой приемники ионов изотопов.The known device includes a source of isotope ions of three masses, a working vacuum volume in which a plasma is created, a solenoid for creating a magnetic field, an external source of electric field, and peripheral and end receivers of isotope ions.
Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства являются:The signs of the known device, coinciding with the essential features of the claimed device are:
- источник ионов нескольких масс;- a source of ions of several masses;
- соленоид для создания магнитного поля;- a solenoid to create a magnetic field;
- периферийный и торцевой приемники ионов изотопов.- peripheral and end receivers of isotope ions.
Недостатком известного устройства является, если его делать универсальным, для разделения любых изотопов, что наиболее практично, необходимость создания магнитных полей индукцией 4-6 Тл, что потребует установки большого сверхпроводящего соленоида, потребляющего мощность порядка 1 МВт [Долголенко Д.А., Муромкин Ю.А. Разделение изотопов в плазме на основе ионного циклотронного резонанса // Успехи физических наук. - 2009. - Т.179, №4. - С.369-382].A disadvantage of the known device is, if it is universal, for the separation of any isotopes, which is most practical, the need to create magnetic fields by induction of 4-6 T, which will require the installation of a large superconducting solenoid, consuming power of the order of 1 MW [Dolgolenko DA, Muromkin Yu .BUT. Isotope separation in plasma based on ion cyclotron resonance // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. - 2009. - T.179, No. 4. - S. 369-382].
Прототипом заявляемого способа и устройства является способ и устройство плазмооптической масс-сепарации квазинейтральных пучков [Морозов А.И., Семашко Н.Н. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ. - 2002. - Т.28, вып.24. - С.63-66].The prototype of the proposed method and device is a method and device for plasmooptical mass separation of quasineutral beams [Morozov A.I., Semashko N.N. On mass separation of quasineutral beams // Letters in ZhTF. - 2002.- T.28, issue 24. - S.63-66].
Способ масс-сепарации (ПОМС-Е) по прототипу включает получение квазинейтрального аксиально-симметричного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя (стационарного плазменного двигателя или двигателя с анодным слоем), транспортировку потока через азимутатор, в котором в поперечном радиальном магнитном поле ионы получают импульс в азимутальном направлении - разделяются по массам, транспортировку потока через сепарирующий объем, в котором создается стационарное радиальное электрическое поле и который помещается в область однородного постоянного магнитного поля, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов, собирание ионов на кольцевые приемники ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.The mass separation method (POMS-E) of the prototype includes obtaining a quasi-neutral axially symmetric plasma flow using a plasma accelerator (stationary plasma engine or an anode-layer engine), transporting the stream through an azimuthator in which ions receive momentum in a transverse radial magnetic field in the azimuthal direction — they are separated by mass, transporting the stream through a separating volume in which a stationary radial electric field is created and which is placed in a uniformly th DC magnetic field magnetizes the electrons, but virtually no effect on the dynamics of ions, ions gathering at the annular receivers ions disposed in the calculated length and the radius of the separation volume positions.
Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа являются:The signs of the known method, coinciding with the essential features of the proposed method are:
- получение квазинейтрального аксиально-симметричного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя (стационарного плазменного двигателя или двигателя с анодным слоем);- obtaining a quasi-neutral axially symmetric plasma flow using a plasma accelerator (a stationary plasma engine or an anode layer engine);
- транспортировку потока через азимутатор, в котором в поперечном радиальном магнитном поле ионы получают импульс в азимутальном направлении - разделяются по массам;- transporting the stream through an azimuthator, in which ions in a transverse radial magnetic field receive an impulse in the azimuthal direction — they are separated by mass;
- транспортировку потока через сепарирующий объем, в котором создается стационарное радиальное электрическое поле и который помещается в область однородного постоянного магнитного поля, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов;- transportation of the flow through a separating volume in which a stationary radial electric field is created and which is placed in the region of a uniform constant magnetic field that magnetizes electrons, but practically does not affect the dynamics of ions;
- собирание ионов на приемники ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.- collection of ions at ion receivers located in positions calculated along the length and radius of the separating volume.
Недостатком способа по прототипу являются жесткие условия на моноэнергетичность пучка ионов и угловой разброс потока на выходе из ускорителя, которые ограничивают возможности использования способа по прототипу в практических целях. Расчеты в перечисленных выше работах сделаны для случая одинаковых энергий ионов различных масс на выходе из источника и малых (не более ±5°) угловых разбросов. Практическое использование ПОМС-Е предполагает совершенствование, оптимизацию существующих плазменных ускорителей к уровню требований прототипа. Наиболее приближенный к этим требованиям стационарный плазменный ускоритель-двигатель АТОН [Морозов А.И., Бугрова А.И., Десятсков А.В., Ермаков Ю.А., Козинцева М.В., Липатов А.С., Пушкин А.А., Харчевников В.К., Чурбанов Д.В. Стационарный плазменный ускоритель-двигатель АТОН // Физика плазмы. - 1997. - Т.23, №7. - С.635-645] генерирует ионы (ксенон) с энергиями от нескольких потенциалов ионизации до eUp, где Up - напряжение между катодом и анодом, со средней энергией около Еср=0,75Up. Девяносто процентов тока пучка ионов лежит внутри конуса с углом расходимости около 11°. В большинстве плазменных источников разброс по продольным скоростям ΔVz~Vz.The disadvantage of the prototype method is the stringent conditions for the monoenergy of the ion beam and the angular spread of the stream at the outlet of the accelerator, which limit the possibilities of using the prototype method for practical purposes. The calculations in the above studies were made for the case of identical energies of ions of different masses at the exit from the source and small (not more than ± 5 °) angular scatter. The practical use of POMS-E involves the improvement, optimization of existing plasma accelerators to the level of requirements of the prototype. The ATON stationary plasma accelerator engine closest to these requirements [Morozov A.I., Bugrova A.I., Desyatskov A.V., Ermakov Yu.A., Kozintseva M.V., Lipatov A.S., Pushkin A .A., Kharchevnikov V.K., Churbanov D.V. Stationary plasma accelerator engine ATON // Plasma Physics. - 1997. - T.23, No. 7. - S.635-645] generates ions (xenon) with energies from several ionization potentials to eU p , where U p is the voltage between the cathode and anode, with an average energy of about E cp = 0.75U p . Ninety percent of the ion beam current lies inside the cone with a divergence angle of about 11 °. In most plasma sources, the longitudinal velocity spread is ΔV z ~ V z .
Устройство по прототипу [Морозов А.И., Семашко Н.Н. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ. - 2002. - Т.28, вып.24. - С.63-66] включает азимутатор, магнитные катушки, магнитный сердечник, газораспределитель, анод, катод (электронную пушку сопровождения), систему создания продольного магнитного поля в сепарирующем объеме, систему создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме и кольцевые приемники разделенных компонентов пучка, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.The device according to the prototype [Morozov A.I., Semashko N.N. On mass separation of quasineutral beams // Letters in ZhTF. - 2002.- T.28, issue 24. - S.63-66] includes an azimuth, magnetic coils, magnetic core, gas distributor, anode, cathode (electronic tracking gun), a system for creating a longitudinal magnetic field in a separating volume, a system for creating a radial electric field in a separating volume, and ring receivers of separated beam components located in the positions calculated along the length and radius of the separating volume.
Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:Signs of a known device that matches the essential features of the claimed device are:
- азимутатор;- azimuthator;
- магнитные катушки;- magnetic coils;
- магнитный сердечник;- magnetic core;
- газораспределитель;- gas distributor;
- анод;- anode;
- катод (электронная пушка сопровождения);- cathode (electronic gun tracking);
- система создания продольного магнитного поля в сепарирующем объеме;- a system for creating a longitudinal magnetic field in a separating volume;
- система создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме;- a system for creating a radial electric field in a separating volume;
- приемники разделенных компонентов пучка, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.- receivers of the separated beam components located in positions calculated along the length and radius of the separating volume.
Недостатком устройства по прототипу является возможность попадания ионов разных масс на каждый из приемников при использовании существующих плазменных ускорителей в качестве источников ионов.The disadvantage of the prototype device is the ability of ions of different masses to hit each of the receivers when using existing plasma accelerators as ion sources.
При создании способа разделения изотопов и устройства для его осуществления, объединенных единым изобретательским замыслом, ставилась задача создать в результате такие способ и устройство, в которых остались бы все положительные качества способа и устройства по прототипу и была обеспечена возможность практического использования стационарных плазменных двигателей или двигателей с анодным слоем, производство которых уже хорошо освоено.When creating a method for separating isotopes and a device for its implementation, united by a single inventive concept, the task was to create as a result such a method and device in which all the positive qualities of the method and device of the prototype would remain and the practical use of stationary plasma engines or engines with anode layer, the production of which is already well mastered.
Технический результат заявляемых способа разделения изотопов и устройства для его осуществления заключается в расширении возможностей плазмооптических масс-сепараторов с точки зрения их практического использования за счет минимизации негативного влияния углового и энергетического разбросов ионов изотопов в потоке плазмы.The technical result of the proposed isotope separation method and device for its implementation is to expand the capabilities of plasma-optical mass separators from the point of view of their practical use by minimizing the negative impact of the angular and energy spread of isotope ions in the plasma stream.
Технический результат достигается тем, что, учитывая практические возможности плазмооптической масс-сепарации с учетом разброса ионов разных масс по радиальным и продольным скоростям, найдены условия для масс-сепарации в ПОМС-Е ионов трех и более масс вне зависимости от их продольной скорости при «мягком» условии на угловой разброс в пучке ионов. Технический результат достигается тем, что собирание ионов массами M1 и М2 производят на приемники ионов, расположенные на цилиндрических поверхностях длиной LZmax≈(4-6)R и радиусами r1 и r2, ионы изотопов центральной массы M0=(M1+M2)/2 собирают на торцевой приемник, что обеспечивают выполнением условий на радиальные скорости ионов изотопов Vr1≤Vrкр; Vr2≤Vrкp, гдеThe technical result is achieved by taking into account the practical possibilities of plasma-optical mass separation, taking into account the dispersion of ions of different masses along radial and longitudinal speeds, conditions are found for mass separation of ions of three or more masses in POMS-E, regardless of their longitudinal velocity with "soft »Condition for the angular spread in the ion beam. The technical result is achieved in that the collection of ions of masses M 1 and M 2 is carried out on ion receivers located on cylindrical surfaces of length L Zmax ≈ (4-6) R and radii r 1 and r 2 , ions of isotopes of central mass M 0 = (M 1 + M 2 ) / 2 is collected at the end receiver, which ensures that the conditions for the radial velocities of isotope ions V r1 ≤V rcr are met ; V r2 ≤V rcp , where
гдеWhere
е - заряд электрона, Кл;e is the electron charge, C;
Δ - ширина азимутатора, м;Δ is the width of the azimuthator, m;
δМ=(М1-М2)/2, кг;δM = (M 1 -M 2 ) / 2, kg;
М0 - масса центрального иона изотопа, кг;M 0 is the mass of the central isotope ion, kg;
BR - величина магнитной индукции в азимутаторе, Тл;B R is the magnitude of the magnetic induction in the azimuthator, T;
с - скорость света, м/с;s is the speed of light, m / s;
и угловой разброс а на входе в азимутаторand angular spread and at the entrance to the azimuthator
гдеWhere
VφA0 - азимутальная скорость иона изотопа после азимутатора,V φA0 is the azimuthal velocity of the isotope ion after the azimuthator,
Vmax - максимальная скорость иона до азимутатора,V max - the maximum speed of the ion to the azimuthator,
катод плазменного ускорителя совмещен с полюсом азимутатора, два приемника разделенных компонентов пучка ионов изотопов выполнены в виде цилиндров радиусами r1 и r2 и длиной Lzmax≈(4-6)R, а третий приемник - в виде кольца, расположенного на торце сепарирующего объема.the cathode of the plasma accelerator is aligned with the azimuthator pole, two detectors of the separated components of the isotope ion beam are made in the form of cylinders of radii r 1 and r 2 and length L zmax ≈ (4-6) R, and the third receiver is in the form of a ring located at the end of the separating volume .
Преимуществом предлагаемого варианта ПОМС-Е по сравнению с прототипом является возможность практической реализации предложенного способа с использованием в качестве источников ионов уже разработанных и изготавливаемых серийно плазменных ускорителей.The advantage of the proposed POMS-E option in comparison with the prototype is the possibility of practical implementation of the proposed method using plasma accelerators already developed and commercially available as ion sources.
Заявляемый способ разделения изотопов и устройство для его осуществления поясняются чертежом, где схематично приведено устройство и проиллюстрированы физические принципы, на которых основан способ.The inventive method for the separation of isotopes and a device for its implementation are illustrated in the drawing, which schematically shows the device and illustrates the physical principles on which the method is based.
Устройство содержит азимутатор 1, совмещенный с катодом плазменного ускорителя, магнитные катушки 2 для создания оптимального распределения магнитного поля по объему плазменного ускорителя (позиции 1-6) и обеспечения замкнутого дрейфа электронов в его объеме, магнитный сердечник 3, являющийся и полюсом азимутатора 1, газораспределитель 4 с буферным объемом, анод 5, электронную пушку сопровождения 6, систему создания продольного магнитного поля, замагничивающего электроны в сепарирующем объеме 7, систему создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме, состоящую из двух цилиндрических электродов 8, 10, и приемники разделенных компонентов пучка 8, 9, 10.The device comprises an
Получим основные расчетные соотношения для устройства (ПОМС-Е) по данной заявке.We get the basic design ratios for the device (POMS-E) for this application.
Как известно, движение иона массой М в области радиального магнитного поля 
гдеWhere
е - заряд электрона,e is the electron charge,
с - скорость света,c is the speed of light
V - скорость иона.V is the ion velocity.
При осевой симметрии {∂L/∂φ=0), если до азимутатора момент у иона нулевой и Аφ0=0, движение иона описывается уравнениемWith axial symmetry (∂L / ∂φ = 0), if the ion moment is zero before the azimuth and А φ0 = 0, the ion motion is described by the equation
гдеWhere
R - средний радиус кольцевой щели азимуматора;R is the average radius of the annular slit of the azimulator;
φА - указывает на значение параметра после прохождения азимутатора. Азимутальная скорость, приобретаемая ионом после прохождения азимутатора, определяется массой иона и равна:φА - indicates the value of the parameter after passing the azimuthator. The azimuthal velocity acquired by the ion after passing through the azimuthator is determined by the mass of the ion and is equal to:
В области сепарирующего объема, где есть радиальное электрическое поле, а магнитное поле на движение ионов практически не влияет, движение иона по радиусу будет происходить при сохранении момента под действием центробежной силы и силы радиального электрического поля Er(r)=-E0(R/r). Для иона изотопа центральной массы М0, вылетевшего из точки r=R, можно определить параметрическую зависимость выделяемой массы от характерных размеров устройства и значения электромагнитных полей:In the region of the separating volume, where there is a radial electric field, and the magnetic field practically does not affect the movement of ions, the ion moves along the radius while maintaining the moment under the action of the centrifugal force and the radial electric field strength E r (r) = - E 0 (R / r). For an ion of an isotope of central mass M 0 emitted from a point r = R, it is possible to determine the parametric dependence of the released mass on the characteristic dimensions of the device and the value of electromagnetic fields:
гдеWhere
Δ - ширина щели азимутатора.Δ is the width of the slit of the azimuthator.
Отметим, что при фиксированном радиусе R, центральную массу М0 можно выбирать, варьируя BR, Δ и Е0. Note that for a fixed radius R, the central mass M 0 can be selected by varying B R , Δ and E 0.
Анализ движения частиц в потенциальной яме - на языке изменения эффективной потенциальной энергииAnalysis of particle motion in a potential well - in the language of the change in effective potential energy
где 
гдеWhere
ε=x/R; r=R+х; х - малое отклонение.ε = x / R; r = R + x; x is a small deviation.
Частицы с разными полными энергиями Е не собираются одновременно в некоторых пространственно локализованных точках сепарирующего объема, а формируют «пятна», протяженные вдоль радиуса сепарирующего объема. Если еще существует и распределение ионов по продольным VZA скоростям (немоноэнергетичность), то пятно уширяется и вдоль продольной оси сепарирующего объема. Поэтому возникает вопрос, как осуществить сепарацию кольцевого плазменного потока, не закладываясь на моноэнергетичность для ионов разных масс и иметь при этом более «мягкое» условие на угловой (по r) разброс плазменного потока.Particles with different total energies E are not collected simultaneously at some spatially localized points of the separating volume, but form “spots” extended along the radius of the separating volume. If there is still a distribution of ions along longitudinal V ZA velocities (non-monoenergy), then the spot broadens along the longitudinal axis of the separating volume. Therefore, the question arises of how to carry out the separation of an annular plasma flow without laying on monoenergy for ions of different masses and at the same time have a “softer” condition on the angular (in r) spread of the plasma flow.
Результаты решения уравнений движения ионов разных масс и анализ их колебаний в потенциальных ямах дают возможность утверждать, что сбор частиц массой М1 можно устраивать на цилиндрической поверхности с некоторым расчетным радиусом r1. Частицы массой М2 собираются на поверхности радиусом r2. Причем на цилиндрах радиусами r1 и r2 соберутся ионы вне зависимости от величины скорости VZA. Радиусы r1 и r2 определяются соотношениями:The results of solving the equations of motion of ions of different masses and an analysis of their oscillations in potential wells make it possible to assert that the collection of particles of mass M 1 can be arranged on a cylindrical surface with a certain calculated radius r 1 . Particles of mass M 2 are collected on a surface of radius r 2 . Moreover, ions will be collected on cylinders of radii r 1 and r 2 , regardless of the magnitude of the velocity V ZA . The radii r 1 and r 2 are determined by the relations:
Пусть есть еще и ионы с массой М0=(М1+М2)/2 - ионы с центральной массой. Важно, чтобы ионы М0 не пересекали при своем движении цилиндрические поверхности, имеющие радиусы r1 и r2. Это достижимо, если будут выполнены следующие условия:Let there also be ions with a mass of M 0 = (M 1 + M 2 ) / 2 - ions with a central mass. It is important that the ions M 0 do not intersect during their movement cylindrical surfaces having radii r 1 and r 2 . This is achievable if the following conditions are met:
гдеWhere
δМ=(М1-М2)/2.δM = (M 1 -M 2 ) / 2.
Если максимальная энергия частиц Emax определяется ускоряющим потенциалом Up, тоIf the maximum particle energy E max is determined by the accelerating potential U p , then
и Vrmax=αVmax (α - угол между вектором полной скорости иона и осью Z). Ионы центральной массы М0 при учете соотношений (7) не будут пересекать цилиндры радиусами r1 и r2 при следующем условии на угловой разброс:and V rmax = αV max (α is the angle between the vector of the total ion velocity and the Z axis). Ions of central mass M 0, when relations (7) are taken into account, will not intersect cylinders of radii r 1 and r 2 under the following condition on the angular spread:
Ионы со скоростью V<VφA не проходят через азимутатор, поэтому ионы с энергией Е0, соответствующей максимуму энергетического распределения, должны иметь скорости V0≥VφA. Приняв V0≈ξVmax, где ξ<1 (немного меньше), условие (8) можно записать в виде:Ions with a velocity V <V φA do not pass through the azimuthator, therefore, ions with an energy E 0 corresponding to the maximum of the energy distribution must have velocities V 0 ≥V φA . Having adopted V 0 ≈ξV max , where ξ <1 (slightly less), condition (8) can be written in the form:
Определим длину сепарирующего объема.Determine the length of the separating volume.
Уравнение колебаний иона центральной массы в потенциальной яме имеет вид 
Частота колебаний 
Период колебаний 
Вдоль продольной оси ион будет иметь максимальную скорость 
Если ξ≈1/2÷1/3, то длина сепарирующего объема L определяется радиусом инжекции ионов R и составляет LZmax≈(4-6)R.If ξ≈1 / 2 ÷ 1/3, then the length of the separating volume L is determined by the radius of injection of ions R and is L Zmax ≈ (4-6) R.
Таким образом, в ПОМС-Е получаем идеальную масс-сепарацию для ионов изотопов трех масс М0, М1 и М2. Ионы массами М1 и М2 оседают на цилиндрах радиусами r1 и r2 и длиной LZmax, а ионы массой М0 собираются на торцевом кольцевом приемнике, расположенном на расстоянии LZmax.Thus, in POMS-E we get the ideal mass separation for isotopes of three masses M 0 , M 1 and M 2 . Ions of mass M 1 and M 2 are deposited on cylinders of radii r 1 and r 2 and length L Zmax , and ions of mass M 0 are collected on an end ring receiver located at a distance L Zmax .
В случае если в исходной смеси изотопов присутствуют больше чем 3 компонента, то на цилиндрах радиусами r1 и r2 будут оседать целевые ионы изотопов соответственно с минимальной и максимальной массами - «продукт», а на торцевом приемнике - все остальные - «отвал». В этом варианте ПОМС-Е может успешно применяться в многоступенчатом режиме, когда каждое последующее разделение осуществляется для изотопов, еще оставшихся в «отвале». Кроме того, ПОМС-Е может использоваться как масс-сепаратор первой ступени переработки - обогащения основного количества исходного вещества для классического электромагнитного вакуумного ионно-пучкового масс-сепаратора (см. чертеж).If more than 3 components are present in the initial mixture of isotopes, then the target isotope ions with the minimum and maximum masses will be “product” on cylinders of radii r 1 and r 2 , and the rest will be “dump” on the end receiver. In this embodiment, POMS-E can be successfully applied in a multi-stage mode, when each subsequent separation is carried out for isotopes still remaining in the “dump”. In addition, POMS-E can be used as a mass separator of the first processing stage - enrichment of the bulk of the starting material for a classical electromagnetic vacuum ion-beam mass separator (see drawing).
Заявляемый способ реализуется в устройстве для разделения изотопов, которое работает следующим образом.The inventive method is implemented in a device for the separation of isotopes, which operates as follows.
С помощью плазменного ускорителя (стационарного плазменного двигателя или двигателя с анодным слоем), включающего катод, совмещенный с азимутатором 1, катушки 2 для создания оптимального распределения магнитного поля по объему плазменного ускорителя и обеспечения замкнутого дрейфа электронов в его объеме (поз.1-6), магнитный сердечник 3, являющийся и полюсом азимутатора 1, газораспределитель 4 с буферным объемом, анод 5, электронную пушку сопровождения 6, получают квазинейтральный аксиально-симметричный поток плазмы, который транспортируют через азимутатор 1, где создают поперечное к направлению движения потока (радиальное) магнитное поле. Угловой разброс α на входе в азимутатор ограничивают величинойUsing a plasma accelerator (a stationary plasma engine or an anode layer engine), including a cathode combined with an
В поперечном радиальном магнитном поле ионам сообщают импульс в азимутальном направлении - разделяют по массам - и далее транспортируют в сепарирующий объем (поз.8-10), в котором создают стационарное радиальное электрическое поле с помощью системы цилиндрических электродов 8 и 10 и который помещают в область однородного постоянного магнитного поля системы создания продольного магнитного поля 7, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов. Ионы массами М0, М1 и М2 собирают на приемники ионов, на которых создают условия отсутствия распыления, расположенные соответственно на торце 9 сепарирующего объема и на цилиндрических поверхностях длиной LZmax≈(4-6)R и радиусами r1 и r2 такими, что ионы с массой М0 не пересекают при своем движении цилиндрические поверхности радиусами r1 и r2, что обеспечивают выполнением условий Vr1≤Vrкр; Vr2≤Vrкр,In a transverse radial magnetic field, ions are given an impulse in the azimuthal direction — separated by mass — and then transported to a separation volume (pos. 8-10), in which a stationary radial electric field is created using a system of
где 
Claims (2)
где
е - заряд электрона, Кл;
Δ - ширина азимутатора, м;
δМ=(М1-М2)/2, кг;
М0 - масса центрального иона изотопа, кг;
BR - величина магнитной индукции в азимутаторе, Тл;
с - скорость света, м/с;
и угловой разброс α на входе в азимутатор
где VφA0 - азимутальная скорость иона изотопа после азимутатора, м/с;
Vmax - максимальная скорость иона до азимутатора, м/с.1. A method for separating isotopes, including obtaining a quasi-neutral axially symmetric plasma flow with an average radius R using a plasma accelerator, transporting the flow through an azimuth transverse radial magnetic field, wiring a mass-separated plasma flow through a separating volume with a stationary radial electric field and a uniform constant a longitudinal magnetic field magnetizing electrons, but not affecting the dynamics of isotope ions, the collection of isotope ions at receivers, different the fact that the collection of ions of masses M 1 and M 2 is carried out on ion receivers located on cylindrical surfaces of length L Zmax ≈ (4-6) R, radii r 1 and r 2 , ions of isotopes of central mass M 0 = (M 1 + M 2 ) / 2 is collected at the end receiver, which ensures that the conditions for the radial velocity of isotope ions V r1 ≤V rкp are met ; V r2 ≤V rcp , where
Where
e is the electron charge, C;
Δ is the width of the azimuthator, m;
δM = (M 1 -M 2 ) / 2, kg;
M 0 is the mass of the central isotope ion, kg;
B R is the magnitude of the magnetic induction in the azimuthator, T;
s is the speed of light, m / s;
and angular spread α at the entrance to the azimuthator
where V φA0 is the azimuthal velocity of the isotope ion after the azimuthator, m / s;
V max is the maximum ion velocity to the azimuthator, m / s.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009124133/05A RU2411067C1 (en) | 2009-06-24 | 2009-06-24 | Method of isotope separation and device to this end |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009124133/05A RU2411067C1 (en) | 2009-06-24 | 2009-06-24 | Method of isotope separation and device to this end |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2411067C1 true RU2411067C1 (en) | 2011-02-10 |
Family
ID=46309166
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009124133/05A RU2411067C1 (en) | 2009-06-24 | 2009-06-24 | Method of isotope separation and device to this end |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2411067C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2469776C1 (en) * | 2011-08-12 | 2012-12-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ГОУ ИрГТУ) | Method of panoramic plasma mass-separation and device for method of panoramic plasma mass-separation (versions) |
| RU2570110C1 (en) * | 2014-09-11 | 2015-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ИрГТУ") | Method of measuring energy spectrum of ions |
| CN112696330A (en) * | 2020-12-28 | 2021-04-23 | 上海空间推进研究所 | Magnetic pole structure of Hall thruster |
-
2009
- 2009-06-24 RU RU2009124133/05A patent/RU2411067C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2469776C1 (en) * | 2011-08-12 | 2012-12-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ГОУ ИрГТУ) | Method of panoramic plasma mass-separation and device for method of panoramic plasma mass-separation (versions) |
| RU2570110C1 (en) * | 2014-09-11 | 2015-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ИрГТУ") | Method of measuring energy spectrum of ions |
| CN112696330A (en) * | 2020-12-28 | 2021-04-23 | 上海空间推进研究所 | Magnetic pole structure of Hall thruster |
| CN112696330B (en) * | 2020-12-28 | 2022-09-13 | 上海空间推进研究所 | Magnetic pole structure of Hall thruster |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ter-Akopian et al. | Layout of new experiments on the observation of spontaneous electron–positron pair creation in supercritical Coulomb fields | |
| RU2411067C1 (en) | Method of isotope separation and device to this end | |
| Eseev et al. | Traps for storing charged particles and antiparticles in high-precision experiments | |
| Bardakov et al. | Plasma-optical mass separation of isotopes in the magnetic field of linear current | |
| Abdelrahman | Factors enhancing production, extraction and focusing of positive ion beams | |
| Strokin et al. | Development of idea of plasma-optical mass separation | |
| Morozov et al. | Axisymmetric plasma-optic mass separators | |
| Dolbilov | Induction synchrotron with a constant magnetic field | |
| RU2405619C1 (en) | Method of separating isotopes and device for realising said method | |
| RU2681524C1 (en) | Plasma-optic mass separator ions beam generation method and device for its implementation | |
| RU2446489C2 (en) | Plasma-optical mass separation method and apparatus for realising said method | |
| RU2411066C1 (en) | Method of isotope separation and device to this end | |
| RU2451435C1 (en) | Method for cyclic acceleration of charged particles | |
| RU2419900C1 (en) | Method of plasma separation of spent nuclear fuel and device for its implementation | |
| Masuda et al. | Numerical study of ion recirculation in an improved spherical inertial electrostatic confinement fusion scheme by use of a multistage high voltage feedthrough | |
| RU2760276C1 (en) | Method for increasing the cluster ion beam current | |
| RU2469776C1 (en) | Method of panoramic plasma mass-separation and device for method of panoramic plasma mass-separation (versions) | |
| RU2764147C1 (en) | Injector for cluster ion accelerator | |
| Wei et al. | Dynamics of charged particles in an adiabatic thermal beam equilibrium | |
| Berendeev et al. | Mathematical and experimental simulation of a cylindrical plasma target trap with inverse magnetic mirrors | |
| US20210195726A1 (en) | Linear accelerator using a stacked array of cyclotrons | |
| Chen | The possibility of a kind of bose particle to obtain high energy and superradiance | |
| Yeliseyev | Ion motion in crossed fields and separation mechanism in “Archimedes plasma mass filter” | |
| Bahng et al. | Design study of low-energy beam transport for multi-charge beams at RAON | |
| Ikeda et al. | Electron and ion beam simulations for the BNL ExtendedEBIS at Brookhaven National Laboratory |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140625 |