RU2681524C1 - Plasma-optic mass separator ions beam generation method and device for its implementation - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to the multicomponent mixtures separation into elements by means of mass separation. Provided are compensated by the space charge development of the axially symmetric plasma flow in the two-chamber plasma accelerator, setting the ions energy positive electric potential Usupply to the plasma accelerator anode, zero electric potential supply to the cathode – the plasma accelerator output electrode, magnetic field development in the plasma flux transverse velocity whirler region, passing through which the ions acquire azimuthal velocity and are separated by masses. Wherein the electrodes in the plasma accelerator are located in the sequence anode-1 – whirler-cathode – anode-2, to the located between the anode-1 and anode-2 the whirler-cathode the Unegative electric potential is applied relative to the anode-1 and anode-2 of such value, at which the E×B-discharge combustion is enabled in the plasma accelerator both chambers, wherein the |U| ≥ |U|. Radial magnetic field is made so that the radial magnetic field gradients in both chambers were directed towards the whirler-cathode.EFFECT: technical result is the plasma-optical mass separator minimum possible longitudinal size due to the minimization of ion losses during the whirler passage, removal of restrictions on the number of particles (ions current) associated with the ions flow ambipolar electric field and the intrinsic space charge, while maintaining the minimum possible width of the ion spectrum by energy.2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к способам и устройствам для разделения элементов в многокомпонентных смесях и может быть использовано при разделении сложных веществ на отдельные элементы или при производстве изотопов химических элементов. Наиболее актуальной проблемой с точки зрения разделения сложных веществ на элементы является разделение отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) на продукты деления и трансурановые элементы; основной областью применения изотопов является ядерная энергетика.The invention relates to methods and devices for separating elements in multicomponent mixtures and can be used in the separation of complex substances into individual elements or in the production of isotopes of chemical elements. The most urgent problem from the point of view of separation of complex substances into elements is the separation of spent nuclear fuel (SNF) into fission products and transuranium elements; The main field of application of isotopes is nuclear energy.

В настоящее время активно обсуждаются магнито-плазменные методы разделения ОЯТ, в частности, плазмооптический метод [Морозов А.И., Семашко Н.Н. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ, 2002. - Т. 28, вып. 24. - С. 63-66; Морозов А.И., Савельев В.В. Осесимметричные плазмооптические масс-сепараторы // Физика плазмы, 2005. -Т. 31, №5. - с. 458-465; Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Строкин Н.А. Масс-сепарация ионов кольцевого плазменного потока // Письма в журнал технической физики, 2010. - Т. 36, вып. 4. - С. 75-80; Астраханцев Н.В., Бардаков В.М., Кичигин Г.Н., Лебедев Н.В., Строкин Н.А. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления // Патент RU №2411067, МПК B01D 59/48, опубликовано 10.02.2011 г., Бюлл. №4]. Плазмооптическая масс-сепарация включает реализацию трех последовательных процессов: генерацию плазмы в плазменном ускорителе (ПУ) и формирование плазменного потока - разделение ионов по массам в азимутаторе - сбор ионов на приемники в сепарирующем объеме. Азимутатор (магнитный барьер - МБ) - область системы формирования многокомпонентного пучка ионов, в которой создается поперечное (радиальное) к направлению движения ионного потока магнитное поле. Для оптимального использования сепарирующего пространства плазмооптического масс-сепаратора (ПОМС-Е; см. Фиг. 1) с практически приемлемой длиной L ≤ 1 м ионам плазменного потока необходимо пересечь в азимутаторе магнитный поток B_rd ≈ 30 Тл⋅м, где B_r - величина радиальной компоненты индукции магнитного поля, d - размер азимутатора вдоль траектории движения ионов. Для обеспечения такого потока при d ≈ 10^-2 м необходимо поле B_r ≥ 0,3 Тл, при котором электроны плазмы оказываются замагниченными (ларморовский радиус электронов ρ_е << d), а ионы - незамагниченными (ларморовский радиус ионов ρ_i >> d). Плазма между катодом (позиция 1 на Фиг. 1) и анодом (позиция 5) ПУ является квазинейтральной - число ионов равно числу электронов. Поэтому ограничений на величину тока пучка ионов, связанных с влиянием пространственного заряда, здесь нет.Чем больше ток ионов, тем больше производительность масс-сепаратора. Однако в области МБ азимутатора происходит нарушение квазинейтральности - электроны «останавливаются» на границе МБ со стороны ПУ; далее через МБ идут только ионы. Количество ионов, прошедших МБ, значительно меньше их числа в ПУ из-за их торможения в амбиполярном электрическом поле, возникающем из-за разделения ионов и электронов на границе МБ и собственного пространственного заряда пучка положительно заряженных ионов, вызывающего рассеяние - уход ионов пучка с основной траектории. Нами найдено, что существует критическая (с верхней стороны) плотность ионов n_кр на входе в азимутатор, при которой поток ионов через азимутатор вообще не проходит. Для потока ионов, имеющих энергию W₀,

(здесь ε₀ - диэлектрическая постоянная; е - заряд электрона).Currently, magneto-plasma methods for the separation of SNF are actively discussed, in particular, the plasma-optical method [Morozov A.I., Semashko N.N. On separation by mass of quasineutral beams // Letters in ZhTF, 2002. - V. 28, no. 24. - S. 63-66; Morozov A.I., Savelyev V.V. Axisymmetric plasma-optical mass separators // Plasma Physics, 2005. -T. 31, No. 5. - from. 458-465; Bardakov V.M., Kichigin G.N., Strokin N.A. Mass Separation of Ions of an Annular Plasma Flow // Letters to the Journal of Technical Physics, 2010. - V. 36, no. 4. - S. 75-80; Astrakhantsev N.V., Bardakov V.M., Kichigin G.N., Lebedev N.V., Strokin N.A. The method of isotope separation and device for its implementation // Patent RU No. 2411067, IPC B01D 59/48, published 02.10.2011, Bull. No. 4]. Plasma-optic mass separation involves the implementation of three sequential processes: plasma generation in a plasma accelerator (PU) and the formation of a plasma stream - separation of ions by mass in the azimuthator - collecting ions at receivers in a separating volume. The azimuthator (magnetic barrier - MB) is the region of the system of formation of a multicomponent ion beam in which a magnetic field is created transverse (radial) to the direction of movement of the ion flux. For optimal use of the separating space of the plasmooptic mass separator (POMS-E; see Fig. 1) with a practically acceptable length L ≤ 1 m, the ions of the plasma flux must cross the magnetic flux B _r d ≈ 30 T⋅m, where B _r - the magnitude of the radial component of the magnetic field induction, d is the size of the azimuthator along the ion path. To ensure such a flux at d ≈ 10 ⁻² m, a field B _r ≥ 0.3 T is required, at which plasma electrons are magnetized (Larmor radius of electrons ρ _e << d), and ions are non-magnetized (Larmor radius of ions ρ _i >> d) The plasma between the cathode (position 1 in Fig. 1) and the anode (position 5) of the PU is quasi-neutral — the number of ions is equal to the number of electrons. Therefore, there are no restrictions on the magnitude of the ion beam current associated with the influence of the space charge. The larger the ion current, the greater the mass separator performance. However, in the region of the azimuthator MB, a violation of quasineutrality occurs - the electrons “stop” at the MB boundary from the side of the PU; Further, only ions go through the MB. The number of ions passing through the MB is much smaller than their number in the PU due to their deceleration in an ambipolar electric field, which arises due to the separation of ions and electrons at the MB boundary and the own space charge of a beam of positively charged ions, causing scattering - the departure of the beam ions from the main trajectories. We have found that there is a critical (from the upper side) ion density n _cr at the entrance to the azimuthator, at which the ion flow through the azimutator does not pass at all. For a stream of ions having an energy of W ₀ ,

(here ε ₀ is the dielectric constant; e is the electron charge).

Таким образом, при практической реализации процесса плазмооптической масс-сепарации в настоящее время исследователи сталкиваются с проблемой малой ее эффективности из-за потерь ионов в азимутаторе. Для исключения данной проблемы необходимо найти способ и разработать устройство системы формирования потока ионов, которые обеспечивали бы прохождение ионов, рожденных в плазменном ускорителе, через магнитный барьер азимутатора с минимальными потерями. Оптимальным решением задачи было бы обеспечение в азимутаторе условия квазинейтральности, при котором отсутствуют ограничения на число частиц (ток ионов), связанные с собственным объемным зарядом ионного потока. Кроме того, необходимо стремиться к обеспечению минимальной ширины распределения ионов по энергии для сохранения продольного размера масс-сепаратора ПОМС-Е-3.Thus, in the practical implementation of the plasma-optic mass separation process, researchers are currently faced with the problem of its low efficiency due to ion loss in the azimuthator. To eliminate this problem, it is necessary to find a method and develop a device for the formation of an ion flux system that would ensure the passage of ions generated in a plasma accelerator through the magnetic barrier of the azimuthator with minimal losses. An optimal solution to the problem would be to ensure a quasi-neutrality condition in the azimuthator, in which there are no restrictions on the number of particles (ion current) associated with the intrinsic space charge of the ion flux. In addition, it is necessary to strive to ensure the minimum width of the ion energy distribution in order to maintain the longitudinal size of the POMS-E-3 mass separator.

Целью данного изобретения является увеличение по сравнению с существующим уровнем плотности ионов, проходящих через магнитный барьер азимутатора, с сохранением имеющегося минимально возможного продольного размера плазмооптического масс-сепаратора L_max, который можно определить по формуле:

где ν_max - максимальная скорость ионов в спектре; ν_ϕ - скорость, приобретаемая ионом в азимутаторе, R - радиус центральной траектории иона в сепарирующем пространстве ПОМС-Е-3 [Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Кичигин Г.Н., Строкин Н.А. Трех-компонентное плазмооптическое разделение отработанного ядерного топлива // Известия вузов. Ядерная энергетика, 2011. - №2. - С. 3-9].The aim of this invention is to increase, compared with the existing level, the density of ions passing through the magnetic barrier of the azimuthator, while maintaining the available minimum possible longitudinal size of the plasmooptical mass separator L _max , which can be determined by the formula:

where ν _max is the maximum ion velocity in the spectrum; ν _ϕ is the velocity acquired by the ion in the azimuthator, R is the radius of the central trajectory of the ion in the separating space POMS-E-3 [Bardakov VM, Vo Nyy Zan, Kichigin GN, Strokin N.A. Three-component plasmooptic separation of spent nuclear fuel // News of universities. Nuclear Energy, 2011. - No. 2. - S. 3-9].

Известен способ формирования пучка ионов в плазмооптическом масс-сепараторе [Морозов А.И. Введение в плазмо динамику. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - С. 264]; Фиг. 2 поясняет данный способ.A known method of forming an ion beam in a plasma-optical mass separator [Morozov A.I. Introduction to plasma dynamics. - M .: FIZMATLIT, 2006. - S. 264]; FIG. 2 illustrates this method.

Известный способ включает:The known method includes:

1) создание в плазменном ускорителе аксиально-симметричного плазменного потока, компенсированного по пространственному заряду;1) the creation in the plasma accelerator of an axially symmetric plasma flow compensated for by the spatial charge;

2) транспортировку плазменного потока к входной щели азимутатора;2) transportation of the plasma stream to the entrance slit of the azimuthator;

3) создание в области азимутатора поперечного скорости плазменного потока магнитного поля, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам.3) the creation in the region of the azimuthator of the transverse velocity of the plasma flow of the magnetic field, passing through which the ions acquire an azimuthal velocity and are separated by mass.

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:

1) создание в плазменном ускорителе аксиально-симметричного плазменного потока, компенсированного по пространственному заряду;1) the creation in the plasma accelerator of an axially symmetric plasma flow compensated for by the spatial charge;

2) создание в области азимутатора поперечного скорости плазменного потока магнитного поля, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам.2) the creation in the region of the azimuthator of the transverse velocity of the plasma flow of the magnetic field, passing through which the ions acquire an azimuthal velocity and are separated by mass.

Недостатком известного способа является:The disadvantage of this method is:

1) в области азимутатора происходит нарушение квазинейтральности -электроны «останавливаются» на границе азимутатора со стороны плазменного ускорителя; далее через азимутатор идут только ионы; количество ионов, прошедших азимутатор, значительно меньше их числа в плазменном ускорителе из-за влияния амбиполярного электрического поля, возникающего из-за разделения ионов и электронов на границе азимутатора и собственного пространственного заряда пучка положительно заряженных ионов, вызывающего рассеяние, уход ионов пучка с основной траектории.1) in the region of the azimuthator there is a violation of quasineutrality - the electrons “stop” at the boundary of the azimuthator from the side of the plasma accelerator; then only ions go through the azimuth; the number of ions passing through the azimuthator is much smaller than their number in the plasma accelerator due to the influence of an ambipolar electric field arising from the separation of ions and electrons at the boundary of the azimuthator and the intrinsic space charge of a beam of positively charged ions, causing scattering, the departure of beam ions from the main path .

Известно устройство формирования пучка ионов в плазмооптическом масс-сепараторе [Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 576 с.]; Фиг. 2 поясняет данное устройство.A device for the formation of an ion beam in a plasma-optical mass separator [Morozov A.I. Introduction to plasma dynamics. - M .: FIZMATLIT, 2006. - 576 p.]; FIG. 2 explains this device.

Известное устройство содержит:A known device contains:

1) плазменный ускоритель, включающий последовательно по ходу плазменного потока расположенные анод и катод;1) a plasma accelerator, including sequentially along the plasma flow located anode and cathode;

2) дрейфовое (пролетное) пространство между плазменным ускорителем и азимутатором;2) the drift (span) space between the plasma accelerator and the azimuthator;

3) азимутатор.3) azimuth.

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:

1) плазменный ускоритель;1) plasma accelerator;

2) азимутатор.2) azimuth.

Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:

1) в области дрейфового (пролетного) пространства между плазменным ускорителем и азимутатором поток плазмы пространственно (радиально) уширяется, что приводит к частичной потере частиц на стенках камеры дрейфового пространства;1) in the region of the drift (span) space between the plasma accelerator and the azimuthator, the plasma flow is spatially (radially) broadened, which leads to a partial loss of particles on the walls of the chamber of the drift space;

2) в области азимутатора происходит нарушение квазинейтральности -электроны «останавливаются» на границе азимутатора со стороны плазменного ускорителя; далее через азимутатор идут только ионы; количество ионов, прошедших азимутатор, значительно меньше их числа в плазменном ускорителе из-за влияния амбиполярного электрического поля, возникающего из-за разделения ионов и электронов на границе азимутатора и собственного пространственного заряда пучка положительно заряженных ионов, вызывающего рассеяние, уход ионов пучка с основной траектории.2) in the region of the azimuthator there is a violation of quasineutrality - the electrons “stop” at the boundary of the azimuthator from the side of the plasma accelerator; then only ions go through the azimuth; the number of ions passing through the azimuthator is much smaller than their number in the plasma accelerator due to the influence of an ambipolar electric field arising from the separation of ions and electrons at the boundary of the azimuthator and the intrinsic space charge of a beam of positively charged ions, causing scattering, the departure of beam ions from the main path .

Прототипом заявляемого способа и устройства является способ и устройство, изложенные в работе [Бардаков В.М., Иванов С.Д., Казанцев А.В., Строкин Н.А. Формирование потока ионов в плазмооптическом масс-сепараторе // Тезисы докладов XL Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Звенигород, 10-14 февраля 2014 г. - М.: ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2014. - С. 262].The prototype of the proposed method and device is the method and device described in the work [Bardakov V.M., Ivanov S.D., Kazantsev A.V., Strokin N.A. Formation of the ion flux in a plasma-optical mass separator // Abstracts of the XL International (Zvenigorod) Conference on Plasma Physics and TCF. Zvenigorod, February 10-14, 2014 - M .: CJSC STC "PLAZMAIOFAN", 2014. - S. 262].

Известный способ включает:The known method includes:

1) создание аксиально-симметричного плазменного потока, компенсированного по пространственному заряду, в двухкамерном плазменном ускорителе;1) creation of an axially symmetric plasma flow compensated for by a spatial charge in a two-chamber plasma accelerator;

2) создание в ПУ ускоряющего ионы продольного электрического поля путем подачи положительного потенциала U_A1 на анод-1, подачи положительного потенциала U_A2 на анод-2, причем

и подачи потенциала U_К=0 (катод заземляется) на катод, совмещенный с азимутатором (см. Фиг. 1).2) the creation in PU of an accelerating ion longitudinal electric field by applying a positive potential U _A1 to anode-1, applying a positive potential U _A2 to anode-2, and

and supplying the potential U _K = 0 (the cathode is grounded) to the cathode combined with the azimuthator (see Fig. 1).

3) создание в области азимутатора поперечного скорости плазменного потока магнитного поля, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам.3) the creation in the region of the azimuthator of the transverse velocity of the plasma flow of the magnetic field, passing through which the ions acquire an azimuthal velocity and are separated by mass.

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:

1) создание аксиально-симметричного плазменного потока, компенсированного по пространственному заряду, в двухкамерном плазменном ускорителе;1) creation of an axially symmetric plasma flow compensated for by a spatial charge in a two-chamber plasma accelerator;

2) подача на анод ПУ положительного электрического потенциала U_A, задающего энергию ионов;2) the supply to the anode of the PU of the positive electric potential U _A , which sets the ion energy;

3) подачу на катод - выходной электрод плазменного ускорителя нулевого электрического потенциала (заземление катода);3) supply to the cathode - the output electrode of the plasma accelerator of zero electric potential (grounding the cathode);

4) создание в области азимутатора поперечного скорости плазменного потока магнитного поля, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам.4) the creation in the region of the azimuthator of the transverse velocity of the plasma flow of the magnetic field, passing through which the ions acquire an azimuthal velocity and are separated by mass.

Недостатком известного способа является:The disadvantage of this method is:

1) в области азимутатора происходит нарушение квазинейтральности -электроны «останавливаются» на границе азимутатора со стороны плазменного ускорителя; далее через азимутатор идут только ионы; количество ионов, прошедших азимутатор, значительно меньше их числа в плазменном ускорителе из-за влияния амбиполярного электрического поля, возникающего из-за разделения ионов и электронов на границе азимутатора и собственного пространственного заряда пучка положительно заряженных ионов, вызывающего рассеяние, уход ионов пучка с основной траектории.1) in the region of the azimuthator there is a violation of quasineutrality - the electrons “stop” at the boundary of the azimuthator from the side of the plasma accelerator; then only ions go through the azimuth; the number of ions passing through the azimuthator is much smaller than their number in the plasma accelerator due to the influence of an ambipolar electric field arising from the separation of ions and electrons at the boundary of the azimuthator and the intrinsic space charge of a beam of positively charged ions, causing scattering, the departure of beam ions from the main path .

Известно устройство формирования пучка ионов в плазмооптическом масс-сепараторе [Бардаков В.М., Иванов С.Д., Казанцев А.В., Строкин Н.А. Формирование потока ионов в плазмооптическом масс-сепараторе // Тезисы докладов XL Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Звенигород, 10-14 февраля 2014 г. - М.: ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2014. - С. 262].A device for forming an ion beam in a plasma-optical mass separator is known [Bardakov V. M., Ivanov S. D., Kazantsev A. V., Strokin N. A. Formation of the ion flux in a plasma-optical mass separator // Abstracts of the XL International (Zvenigorod) Conference on Plasma Physics and TCF. Zvenigorod, February 10-14, 2014 - M .: CJSC STC "PLAZMAIOFAN", 2014. - S. 262].

Известное устройство содержит:A known device contains:

1) двухкамерный плазменный ускоритель, включающий последовательно по ходу плазменного потока расположенные анод-1, анод-2 и катод;1) a two-chamber plasma accelerator, including anode-1, anode-2 and the cathode located sequentially along the plasma flow;

2) азимутатор, совмещенный с катодом плазменного ускорителя.2) an azimuthator combined with the cathode of a plasma accelerator.

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:

1) двухкамерный плазменный ускоритель;1) two-chamber plasma accelerator;

2) азимутатор.2) azimuth.

Обычно двухкамерный плазменный ускоритель с анодным слоем применяется в тех случаях, когда необходимы высокие скорости истечения ионов. Основная отличительная способность этих ускорителей состоит в том, что в них используется два последовательно включенных анодных слоя, первый из которых выполняет функцию источника ионов, а второй - ускорительной ступени. Низковольтная граница первой ступени служит и высоковольтной границей второй ступени. Переходная зона между ступенями практически отсутствует [Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов // М.: Машиностроение, 1989. - 216 с.].Usually, a two-chamber plasma accelerator with an anode layer is used in those cases when high rates of ion outflow are necessary. The main distinguishing ability of these accelerators is that they use two series-connected anode layers, the first of which serves as the ion source, and the second of the accelerator stage. The low-voltage boundary of the first stage also serves as the high-voltage boundary of the second stage. The transition zone between the steps is practically absent [Grishin SD, Leskov L.V. Electric rocket engines of spacecraft // M .: Mechanical Engineering, 1989. - 216 p.].

Недостатком известного устройства является:A disadvantage of the known device is:

1) в области азимутатора происходит нарушение квазинейтральности -электроны «останавливаются» на границе азимутатора со стороны ПУ; далее через азимутатор идут только ионы; количество ионов, прошедших азимутатор, значительно меньше их числа в ПУ из-за влияния амбиполярного электрического поля, возникающего из-за разделения ионов и электронов на границе азимутатора и собственного пространственного заряда пучка положительно заряженных ионов, вызывающего рассеяние, уход ионов пучка с основной траектории.1) in the region of the azimuthator there is a violation of quasineutrality - the electrons "stop" at the boundary of the azimuthator from the PU; then only ions go through the azimuth; the number of ions passing through the azimuthator is much smaller than their number in the PU due to the influence of an ambipolar electric field arising from the separation of ions and electrons at the boundary of the azimuthator and the intrinsic space charge of the beam of positively charged ions, causing scattering, the departure of the beam ions from the main path.

Технический результат заявляемых способа формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройства для его осуществления заключается в расширении возможностей плазмооптических масс-сепараторов с точки зрения их практического использования за счет минимизации потерь ионов при прохождении азимутатора в процессе разделения их по массам в результате обеспечения в азимутаторе условия квазинейтральности, при котором отсутствуют ограничения на число частиц (ток ионов), связанные с амбиполярным электрическим полем и собственным объемным зарядом ионного потока, при сохранении минимально возможной ширины спектра ионов по энергии, что обеспечит минимально возможный продольный размер плазмооптического масс-сепаратора.The technical result of the proposed method for forming an ion beam of a plasma-optical mass separator and a 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 loss of ions during the passage of the azimuthator in the process of separating them by mass as a result of ensuring the conditions in the azimuthator quasineutrality, in which there are no restrictions on the number of particles (ion current) associated with an ambipolar electric field and the corresponding volume charge of the ion flux, while maintaining the minimum possible width of the ion spectrum in energy, which will provide the minimum possible longitudinal size of the plasma-optical mass separator.

Технический результат достигается тем, что в способе формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора аксиально-симметричный плазменный поток, компенсированный по пространственному заряду, создают в двухкамерном плазменном ускорителе; на анод-1 плазменного ускорителя подается положительный электрический потенциал U_A1, задающий энергию ионов; на анод-2 (выходной электрод) плазменного ускорителя подается нулевой электрический потенциал (анод-2 заземляется); на расположенный между анодом-1 и анодом-2 азимутатор-катод подается отрицательный относительно анода-1 и анода-2 электрический потенциал U_АЗ такой величины, при котором обеспечивается горение разряда в скрещенных продольном электрическом и радиальном магнитном полях (Е×В-разряда) в обеих камерах плазменного ускорителя, причем

градиенты радиального магнитного поля в обеих камерах направлены к азимутатору-катоду, обеспечивая набор энергии электронами до значений, превышающих потенциалы ионизации атомов рабочих газов, что, в свою очередь, обеспечивает устойчивость горения Е×В-разряда в обеих камерах; расстояния между анодом-1 и азимутатором-катодом Δ₁ и азимутатором-катодом и анодом-2 Δ₂ выполняются, исходя из условия Δ₁ > 2ρ_е и Δ₂ > 2ρ_е, где ρ_е - циклотронный радиус электронов, вычисляемый по дрейфовой скорости и циклотронной частоте

где дрейфовая скорость

циклотронная частота

где Е - напряженность электрического поля в соответствующем разрядном промежутке, В - индукция магнитного поля в соответствующем разрядном промежутке, m_e - масса электрона; в области азимутатора-катода создается поперечное (радиальное) скорости плазменного потока магнитное поле, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам; энергетическая ширина спектра ионов ΔW ≤ eU_A1 при любом соотношении между потенциалами анода-1 и азимутатора-катода.The technical result is achieved by the fact that in the method of forming an ion beam of a plasma-optical mass separator, an axially-symmetric plasma flow compensated for by a spatial charge is created in a two-chamber plasma accelerator; the positive electric potential U _A1 , which sets the ion energy, is supplied to the anode-1 of the plasma accelerator; zero electric potential is applied to anode-2 (output electrode) of the plasma accelerator (anode-2 is grounded); on situated between the anode 1 and the anode 2 whirler cathode fed negative relative to the anode 1 and the anode 2 an electric potential U _AZ a value at which is provided the discharge in crossed longitudinal electric and radial magnetic fields (E × B bits) in both chambers of the plasma accelerator, and

the gradients of the radial magnetic field in both chambers are directed to the cathode azimuthator, providing energy accumulation by electrons to values exceeding the ionization potentials of the working gas atoms, which, in turn, ensures the stability of the combustion of an E × B discharge in both chambers; the distances between the anode-1 and the azimuth-cathode Δ ₁ and the azimuth-cathode and anode-2 Δ ₂ are fulfilled on the basis of the condition Δ ₁ > 2ρ _е and Δ ₂ > 2ρ _е , where ρ _е is the electron cyclotron radius calculated by the drift velocity and cyclotron frequency

where is the drift speed

cyclotron frequency

where E is the electric field in the corresponding discharge gap, B is the induction of the magnetic field in the corresponding discharge gap, m _e is the mass of the electron; in the region of the azimuth-cathode, a transverse (radial) velocity of the plasma flow is created by a magnetic field, passing through which the ions acquire an azimuthal velocity and are separated by mass; the energy width of the ion spectrum ΔW ≤ eU _A1 for any ratio between the potentials of the anode-1 and the azimuth-cathode.

Технический результат достигается тем, что в устройстве формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора первая камера плазменного ускорителя представляет собой промежуток анод-1 - азимутатор-катод, вторая камера - промежуток азимутатор-катод - анод-2, причем материал анода-1 и анода-2 двухкамерного плазменного ускорителя является немагнитным, а материал азимутатора-катода - ферромагнитным.The technical result is achieved by the fact that in the device for forming a beam of ions of a plasma-optical mass separator, the first chamber of the plasma accelerator is the gap anode-1 - azimuthator-cathode, the second chamber is the gap azimuthator-cathode - anode-2, and the material of the anode-1 and the anode - 2 of a two-chamber plasma accelerator is non-magnetic, and the material of the azimuth-cathode is ferromagnetic.

Преимуществом предлагаемого способа формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройства для его осуществления по сравнению с прототипом является увеличение по сравнению с прототипом плотности ионов, проходящих через магнитный барьер азимутатора-катода; при этом продольный размер масс-сепаратора ПОМС-Е-3 не изменяется.An advantage of the proposed method for forming an ion beam of a plasma-optical mass separator and a device for its implementation compared to the prototype is an increase in the density of ions passing through the magnetic barrier of the azimuth-cathode as compared with the prototype; however, the longitudinal size of the POMS-E-3 mass separator does not change.

Заявляемый способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройства для его осуществления поясняются чертежами, приведенными на Фиг. 1÷6.The inventive method of forming an ion beam of a plasma-optical mass separator and a device for its implementation are illustrated by the drawings shown in FIG. 1 ÷ 6.

На Фиг. 1 приведена схема плазмооптического масс-сепаратора ПОМС-Е. Обозначены элементы устройства, даны траектории ионов трех масс в сепарирующем пространстве, основные размеры масс-сепаратора и показана геометрия магнитного поля азимутатора. Здесь позиция 1 - азимутатор; 2 -катушки для создания магнитного поля; 3 - магнитный сердечник; 4 - газораспределитель с буферным объемом; 5 - полый анод; 6 - компенсатор пространственного заряда ионного потока; 7 - система создания продольного магнитного поля в сепарирующем объеме; 8, 10 и 11 - система создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме; 8-10 - коллекторы элементов, разделенных по массе. В плазмооптический масс-сепаратор ПОМС-Е, как часть, входит и устройство формирования пучка ионов. В данном случае это элементы, отмеченные позициями 1-5.In FIG. 1 shows a diagram of a plasma optic mass separator POMS-E. The elements of the device are indicated, the trajectories of the ions of three masses in the separating space are given, the main dimensions of the mass separator are shown, and the geometry of the magnetic field of the azimuth is shown. Here position 1 is an azimuth; 2-coils to create a magnetic field; 3 - magnetic core; 4 - gas distributor with a buffer volume; 5 - hollow anode; 6 - compensator of the spatial charge of the ion flux; 7 - a system for creating a longitudinal magnetic field in a separating volume; 8, 10 and 11 - a system for creating a radial electric field in a separating volume; 8-10 - collectors of elements separated by mass. The POMS-E plasma-optical mass separator, as part, also includes an ion beam forming device. In this case, these are elements marked by positions 1-5.

На Фиг. 2 дана схема плазмооптического масс-сепаратора ПОМС-Е [Морозов А.И. Введение в плазмодинамику. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - с. 265, рис. 5.7.4], система формирования потока ионов которого принята в качестве аналога, с обозначением элементов устройства, траекторий ионов и направлений электрического и магнитного полей в сепарирующем объеме ПОМС-Е: 12 - кольцевой плазменный ускоритель - источник ионов, 13 -азимутатор, 14 - сепарирующий объем, 15 - наружный цилиндрический положительный электрод, 16 - внутренний отрицательный электрод, 17 - приемники ионов разделенных масс (М₁ М₂ - державки приемников), 18 - катушки слабого магнитного поля Но в сепарирующем объеме, 19 - траектории ионов, вышедших из одной точки кольцевой щели.In FIG. 2 shows a diagram of the plasma optic mass separator POMS-E [Morozov A.I. Introduction to plasma dynamics. - M .: FIZMATLIT, 2006. - p. 265, fig. 5.7.4], the ion flux formation system of which is adopted as an analogue, with the designation of the device elements, ion trajectories and directions of the electric and magnetic fields in the separating volume POMS-E: 12 — ring plasma accelerator — ion source, 13 —imulator, 14 — separating volume 15 - outer cylindrical positive electrode, 16 - an internal negative electrode, 17 - receivers separated by ion masses (M ₁ M ₂ - receivers holder) 18 - weak magnetic field of the coil but in the separation volume, 19 - trajectory of ions released x from one point of the annular gap.

На Фиг. 3 приведена схема системы формирования потока ионов «анод-1 - азимутатор-катод - анод-2» двухкамерного плазменного ускорителя по данной заявке на изобретение с указанием электродов плазменного ускорителя: 20 - анод-1; 21 - полюсы азимутатора-катода; 22 - кольца анода-2; 23 - газораспределитель; 24 - изоляторы (показана часть аксиально-симметричной системы).In FIG. Figure 3 shows a diagram of the anode-1-azimuthator-cathode-anode-2 ion flow formation system of a two-chamber plasma accelerator according to this application for an invention, indicating the plasma accelerator electrodes: 20 - anode-1; 21 - poles of the azimuth-cathode; 22 - rings of the anode-2; 23 - gas distributor; 24 - insulators (shown part of an axially symmetric system).

На Фиг. 4 с привязкой к электродам системы «анод-1 - азимутатор-катод - анод-2» приведены примеры распределения расчетных значений радиальной индукции магнитного поля и вакуумное (без плазмы) распределение электрического потенциала; обозначены расстояния между электродами.In FIG. 4 with reference to the electrodes of the anode-1-azimuthator-cathode-anode-2 system, examples are given of the distribution of the calculated values of the radial induction of the magnetic field and the vacuum (without plasma) distribution of the electric potential; the distance between the electrodes is indicated.

На Фиг. 5 приведены результаты изучения эволюции функции распределения по энергии ионов аргона при прохождении ими азимутатора-катода как при положительных, так и отрицательных значениях электрического потенциала на азимутаторе-катоде; даны также величины параметров электрического и магнитного полей, при которых эти измерения были сделаны.In FIG. Figure 5 shows the results of studying the evolution of the energy distribution function of argon ions during their passage through the azimuth-cathode, both at positive and negative electric potentials at the azimuth-cathode; The values of the parameters of the electric and magnetic fields at which these measurements were made are also given.

На Фиг. 6 сравниваются энергетические спектры ионов аргона при положительном и отрицательном значениях потенциала на азимутаторе-катоде, по которым для этих двух случаев вычислено отношение плотностей ионов, прошедших через магнитный барьер азимутатора-катода.In FIG. Figure 6 compares the energy spectra of argon ions at positive and negative values of the potential at the cathode azimuthator, according to which for these two cases the ratio of the densities of ions passing through the magnetic barrier of the azimuthator-cathode is calculated.

Устройство, схема которого приведена на Фиг. 3, содержит последовательно по ходу пучка ионов от анода-1 (позиция 20 на Фиг. 3) к аноду-2 (позиция 22) расположенные две камеры ПУ, которые формируются последовательно расположенными анодом-1 (позиция 1), азимутатором-катодом (позиция 21) и анодом-2 (позиция 22); первая камера ПУ формируется анодом-1 (позиция 20), выполненным из немагнитного материала, и азимутатором-катодом (позиция 21), выполненным из ферромагнитного материала, вторая камера ПУ формируется азимутатором-катодом (позиция 21) и анодом-2 (позиция 22), выполненным из немагнитного материала. Рабочий газ в ПУ подается через газораспределитель (позиция 23); для электрической изоляции азимутатора-катода и анода-2 между ними расположены изоляторы (позиция 24).The device whose circuit is shown in FIG. 3, contains successively along the ion beam from the anode-1 (position 20 in Fig. 3) to the anode-2 (position 22) located two CC chambers that are formed in series by the anode-1 (position 1), the azimuth-cathode (position 21) and anode-2 (position 22); the first PU chamber is formed by anode-1 (position 20) made of non-magnetic material and the azimuth-cathode (position 21) made of ferromagnetic material, the second chamber of the PU is formed by the azimuth-cathode (position 21) and anode-2 (position 22) made of non-magnetic material. The working gas in the PU is supplied through the gas distributor (item 23); for electrical isolation of the azimuth-cathode and anode-2 insulators are located between them (position 24).

Заявляемый способ реализуется следующим образом.The inventive method is implemented as follows.

Е×В разряд в скрещенных радиальном магнитном и продольном (вдоль оси ПУ) электрическом полях поджигается и устойчиво горит при значениях индукции магнитного поля в области анода-1 B_A ≥ 0,03 Тл, что соответствует индукции в центре азимутатора-катода В_АЗ ≥ 0,11 Тл, значениях положительного электрического потенциала на аноде-1 U_A1 ≥ +400 В и отрицательного потенциала на азимутаторе-катоде U_АЗ-К ≥ |-500| В при соблюдении условия |U_A1| ≥ |U_АЗ-К| (см. Фиг. 4) в диапазоне давления рабочего газа, например аргона, измеренного на выходе из ПУ, 5⋅10^-5 Торр ≤ Р ≤ 20⋅10^-5 Торр.E × B discharge in crossed radial magnetic and longitudinal (along the PU axis) electric fields is ignited and stably burns at values of magnetic field induction in the anode-1 region B _A ≥ 0.03 T, which corresponds to induction in the center of the azimuth-cathode B _AZ ≥ 0.11 T, the values of the positive electric potential at the anode-1 U _A1 ≥ +400 V and the negative potential at the azimuth-cathode U _AZ-K ≥ | -500 | In subject to the condition | U _A 1 | ≥ | U _AZ-K | (see Fig. 4) in the pressure range of the working gas, for example argon, measured at the outlet from the PU, 5⋅10 ^-5 Torr ≤ P ≤ 20⋅10 ^-5 Torr.

Изменяя величину магнитного поля, «управляют» положением в разрядных промежутках зон ионизации и распределением потенциала. При оптимальном по выходному ионному току значении индукции B_r магнитного поля зона максимальной скорости ионизации рабочего газа находится примерно в центре разрядного промежутка, максимум распределения потенциала совпадает с данной областью. Заметная ионизация есть и на всей длине разрядного промежутка. При приближении B_r к верхней границе горения Е×В разряда, зона ионизации смещается к аноду-1 (камера 1) или к аноду-2 (камера 2), что приводит к росту энергии максимума ионной функции распределения и формированию спектра, близкого к пучковому с энергетическим разбросом много меньшим энергии максимума спектра.By changing the magnitude of the magnetic field, they “control” the position in the discharge gaps of the ionization zones and the potential distribution. When the magnetic field induction value B _{r is} optimal in terms of the output ion current, the zone of the maximum ionization rate of the working gas is approximately in the center of the discharge gap, and the maximum potential distribution coincides with this region. There is noticeable ionization along the entire length of the discharge gap. When B _r approaches the upper combustion boundary of the E × B discharge, the ionization zone shifts to anode-1 (chamber 1) or to anode-2 (chamber 2), which leads to an increase in the energy of the maximum of the ion distribution function and the formation of a spectrum close to the beam with an energy spread much smaller than the energy of the maximum of the spectrum.

В области азимутатора-катода создается поперечное (радиальное) скорости плазменного потока магнитное поле, величина которого выбирается из заданного значения коэффициента разделения ионов по массам.A transverse (radial) velocity of the plasma flow creates a magnetic field in the azimuth-cathode region, the magnitude of which is selected from a given value of the mass-separation coefficient of ions.

Ионы из камеры 1 ПУ ускоряются по направлению к азимутатору-катоду и, проходя через пространство азимутатора-катода, приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам. Ионы из камеры 2 ПУ ускоряются по направлению к азимутатору-катоду, набирают энергию, достаточную для прохождения через магнитный барьер азимутатора-катода. Далее в электрическом поле первой камеры эти ионы тормозятся, отражаются, так как |U_A1| ≥ |U_АЗ-К|, и двигаются в обратном направлении вместе с ионами, рожденными в камере 1, к выходу из двухкамерного ПУ. Энергетическая ширина спектра ионов ΔW определяется потенциалом анода U_A1 и не зависит от потенциала азимутатора-катода: ΔW ≤ eU_A1.Ions from chamber 1 of the launcher are accelerated towards the azimuth-cathode and, passing through the space of the azimuth-cathode, acquire azimuthal velocity and are separated by mass. Ions from the chamber 2 PU accelerated towards the azimuthator-cathode, gaining energy sufficient to pass through the magnetic barrier of the azimuthator-cathode. Further, in the electric field of the first chamber, these ions are inhibited, reflected, since | U _A1 | ≥ | U _AZ-K |, and move in the opposite direction, together with the ions born in chamber 1, to the exit from the two-chamber PU. The energy width of the spectrum of ions ΔW is determined by the potential of the anode U _A1 and does not depend on the potential of the azimuth-cathode: ΔW ≤ eU _A1 .

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

Первая камера плазменного ускорителя представляет собой промежуток анод-1 - азимутатор-катод, вторая камера - промежуток азимутатор-катод - анод-2, причем материал анода-1 и анода-2 двухкамерного плазменного ускорителя является немагнитным, а материал азимутатора-катода -ферромагнитным. Продольные размеры (длины) камер выполнены следующими: анод-1 - азимутатор-катод Δ₁ = 8 мм, азимутатор-катод - анод-2 А₂ = 5 мм, что значительно превышает циклотронный радиус электронов ρ_е ~ 0,25 ÷ 0,02 мм, который вычисляется по дрейфовой скорости и циклотронной частоте:

, где дрейфовая скорость

циклотронная частота

, где Е - напряженность электрического поля в соответствующем разрядном промежутке, В - индукция магнитного поля в соответствующем разрядном промежутке, m_e - масса электрона. В таких условиях энергия W_e, набираемая электронами в электрическом поле напряженностью Е (анод-азимутатор Е_А1-AЗ-К или азимутатор-анод-2 Е_АЗ-К-А2) в процессе дрейфа в скрещенных полях на длине h ≈ 2ρ_е (h - высота циклоиды - размер вдоль Е), определяемая как W_e ≈ eEh, превышает потенциалы ионизации ϕ_i рабочих газов (для аргона ϕ_i ≈ 15,5 эВ). Важно отметить, что градиенты радиального магнитного поля в обеих камерах направлены к азимутатору-катоду, то есть величины индукции магнитного поля на аноде-1 камеры 1 и на аноде-2 камеры 2 меньше, чем в азимутаторе-катоде. Этим обеспечивается «удлинение» высоты циклоиды при движении в спадающем по величине магнитном поле, увеличение W_e, что, в свою очередь, обеспечивает устойчивое горение Е×В-разряда в обеих камерах. Токи разряда в первой I_P1 и второй I_P2 камерах определяются режимом горения разряда (величинами напряженности электрического и индукции магнитного полей) и соотношение между ними может быть как I_P1 ≥ I_P2, так и I_P1 ≤ I_P2.The first chamber of the plasma accelerator is the anode-1 azimuth-cathode gap, the second chamber is the azimuth-cathode-anode-2 gap, the material of the anode-1 and anode-2 of the two-chamber plasma accelerator is non-magnetic, and the azimuth-cathode material is ferromagnetic. The longitudinal dimensions (lengths) of the chambers are made as follows: anode-1 - azimuthator-cathode Δ ₁ = 8 mm, azimuthator-cathode - anode-2 A ₂ = 5 mm, which significantly exceeds the cyclotron radius of the electrons ρ _е ~ 0.25 ÷ 0, 02 mm, which is calculated by the drift velocity and cyclotron frequency:

where drift speed

cyclotron frequency

where E is the electric field strength in the corresponding discharge gap, B is the magnetic field induction in the corresponding discharge gap, m _e is the electron mass. Under such conditions, the energy W _e collected by electrons in an electric field of intensity E (anode-azimutator E _A1-AZ-K or azimuth-anode-2 E _AZ-K-A2 ) during drift in crossed fields at a length of h ≈ 2ρ _е ( h — cycloid height — size along E), defined as W _e ≈ eEh, exceeds the ionization potentials ϕ _{i of the} working gases (for argon ϕ _i ≈ 15.5 eV). It is important to note that the gradients of the radial magnetic field in both chambers are directed toward the cathode azimuthator, i.e., the magnetic field induction on the anode-1 of chamber 1 and on the anode-2 of chamber 2 is less than in the azimuthator-cathode. This ensures an “extension” of the height of the cycloid when moving in a decreasing magnetic field, an increase in W _e , which, in turn, ensures stable combustion of an E × B discharge in both chambers. The discharge currents in the first I _P1 and second I _P2 chambers are determined by the mode of combustion of the discharge (the values of the electric and magnetic fields) and the ratio between them can be either I _P1 ≥ I _P2 and I _P1 ≤ I _P2 .

Результаты формирования потока ионов по заявляемому способу и устройству иллюстрируются данными измерений функций распределения ионов на выходе из системы формирования (Фиг. 5, Фиг. 6). Измерения проводились с помощью энергоанализатора с задерживающим потенциалом.The results of the formation of the ion flow by the claimed method and device are illustrated by measurements of the functions of the distribution of ions at the exit from the formation system (Fig. 5, Fig. 6). The measurements were carried out using an energy analyzer with a delay potential.

На Фиг. 5 приведен набор энергетических спектров, полученных при различных значениях потенциала азимутатора (на аноде потенциал сохраняется неизменным). Увеличение величины потенциала на азимутаторе с его переходом с отрицательных значений на положительные приводит наиболее заметно к обеднению энергетических спектров, как и следовало ожидать, в диапазоне низких энергий. Максимальное число ионов (площадь под кривой), прошедших азимутатор, наблюдается в случае отрицательного потенциала на азимутаторе U_АЗ-К = -125 В.In FIG. Figure 5 shows a set of energy spectra obtained at various values of the azimuthator potential (at the anode, the potential remains unchanged). An increase in the potential at the azimuthator with its transition from negative to positive values leads to the most noticeable depletion of energy spectra, as one would expect, in the low-energy range. The maximum number of ions (the area under the curve) that passed the azimuthator is observed in the case of a negative potential on the azimuthator U АЗ _-К = -125 V.

На Фиг. 6 приведены энергетические спектры при положительном и отрицательном потенциалах на азимутаторе и для них рассчитано соотношение плотностей прошедших ионов, которое равно n₁/n₂ ≈ 2,6. То есть, эффективность системы формирования потока ионов «анод-1 - азимутатор-катод -анод-2» в двухкамерном ПУ в случае отрицательного потенциала на азимутаторе в данном примере оказалась в 2,6 раза более высокой по сравнению с традиционным исполнением «анод-1-анод-2-катод) двухкамерного ПУ.In FIG. Figure 6 shows the energy spectra for positive and negative potentials on the azimuthator and for them the ratio of the densities of transmitted ions is calculated, which is n ₁ / n ₂ ≈ 2.6. That is, the efficiency of the anode-1-azimuthator-cathode-anode-2 ion flow formation system in a two-chamber control unit in the case of a negative azimuth potential in this example was 2.6 times higher compared to the traditional anode-1 design -anode-2-cathode) two-chamber PU.

Таким образом, преимуществом предлагаемого способа формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора и устройства для его осуществления по сравнению с прототипом является увеличение плотности ионов, проходящих через магнитный барьер азимутатора-катода.Thus, the advantage of the proposed method of forming an ion beam of a plasma-optical mass separator and a device for its implementation compared to the prototype is to increase the density of ions passing through the magnetic barrier of the azimuth-cathode.

Claims (11)

1. Способ формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора, включающий создание в двухкамерном плазменном ускорителе аксиально-симметричного плазменного потока, компенсированного по пространственному заряду, подачу на анод плазменного ускорителя положительного электрического потенциала U_A1, задающего энергию ионов, подачу на катод - выходной электрод плазменного ускорителя нулевого электрического потенциала, создание в области азимутатора поперечного скорости плазменного потока магнитного поля, проходя через которое ионы приобретают азимутальную скорость и разделяются по массам, отличающийся тем, что электроды в плазменном ускорителе располагаются в последовательности анод-1 - азимутатор-катод - анод-2, на расположенный между анодом-1 и анодом-2 азимутатор-катод подается отрицательный относительно анода-1 и анода-2 электрический потенциал

такой величины, при котором обеспечивается горение Е×В-разряда в обеих камерах плазменного ускорителя, причем

, радиальное магнитное поле выполняется таким образом, чтобы градиенты радиального магнитного поля в обеих камерах были направлены к азимутатору-катоду, то есть величины индукций магнитного поля на аноде-1 и аноде-2 должны быть меньше, чем на азимутаторе-катоде, расстояния между анодом-1 и азимутатором-катодом Δ₁ и азимутатором-катодом и анодом-2 Δ₂ выполняются, исходя из условия1. A method of forming an ion beam of a plasma-optical mass separator, including the creation of an axially symmetric plasma flow compensated for the space charge in a two-chamber plasma accelerator, supplying a positive electric potential U _A1 to the anode of the plasma accelerator, which sets the ion energy, feeding the plasma electrode to the cathode an accelerator of zero electric potential, the creation in the azimuth region of the transverse velocity of the plasma flow of a magnetic field, passing through which s acquire an azimuthal velocity and are separated by mass, characterized in that the electrodes in the plasma accelerator are located in the sequence anode-1 - azimuthator-cathode - anode-2, the azimuthator-cathode located between anode-1 and anode-2 is negative relative to the anode - 1 and anode-2 electric potential

such a value that ensures the combustion of an E × B discharge in both chambers of the plasma accelerator, and

, the radial magnetic field is performed so that the gradients of the radial magnetic field in both chambers are directed to the azimuth cathode, that is, the magnitude of the magnetic field induction on the anode-1 and anode-2 should be less than on the azimuth-cathode, the distance between the anode -1 and azimuth-cathode Δ ₁ and azimuth-cathode and anode-2 Δ ₂ are performed based on the condition

,

, где ρ_e - циклотронный радиус электронов, вычисляемый по дрейфовой скорости и циклотронной частотеwhere ρ _e is the cyclotron radius of electrons calculated by the drift velocity and cyclotron frequency

,

, где дрейфовая скоростьwhere is the drift speed

,

, циклотронная частотаcyclotron frequency

,

, где Е - напряженность электрического поля в соответствующем разрядном промежутке,where E is the electric field in the corresponding discharge gap, В - индукция магнитного поля в соответствующем разрядном промежутке, m_e - масса электрона.B - magnetic field induction in the corresponding discharge gap, m _e - electron mass. 2. Устройство формирования пучка ионов плазмооптического масс-сепаратора, содержащее двухкамерный плазменный ускоритель и азимутатор, отличающееся тем, что первая камера плазменного ускорителя представляет собой промежуток анод-1 - азимутатор-катод, вторая камера - промежуток азимутатор-катод - анод-2, причем материал анода-1 и анода-2 двухкамерного плазменного ускорителя является немагнитным, а материал азимутатора-катода - ферромагнитным.2. A device for forming an ion beam of a plasma-optical mass separator containing a two-chamber plasma accelerator and an azimuthator, characterized in that the first chamber of the plasma accelerator is an anode-1 gap - an azimuth-cathode, a second chamber - an azimuth-cathode-anode-2 gap, and the material of the anode-1 and anode-2 of the two-chamber plasma accelerator is non-magnetic, and the material of the azimuth-cathode is ferromagnetic.

Images