Устройство для разделения заряженных частиц по массам

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО МАССАМ, содержащее вакуумную камеру, в которой помещены источник заряженных частиц, электроды, формирующие электростатическое поле с продольной и радиальной составляющими вектора напряженности, источник магнитного поля в виде катушки, формирующей статическое магнитное поле, пространственно совмещенное с электрическим, и приемник заряженных частиц, отличающееся тем, что, с целью повышения селективности, введены кольцевые электроды или кольцевые катушки, расположенные в местах поворота по радиусу заряженных частиц и образующие статические аксиально-симметричные возмущающие поля с мультипольной структурой, а источник и приемник заряженных частиц выполнены кольцевыми и соосными.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кольцевые элементы или катушки образуют возмущающие поля с дипольной структурой.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кольцевые электроды или катушки образуют возмущающие поля с квадрупольной структурой.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для выделения изотопов тяжелых металлов из их естественной смеси, например при разделении изотопов U²³⁸ и U²³⁵.
Известно устройство для разделения изотопов, в котором газ и пары ионизируют, ионы вытягивают из образовавшейся плазмы электрическим полем и затем ускоряют.
Недостатком является высокая энергоемкость процесса разделения и ограниченная селективность.
Известно также устройство (ускоритель прямого действия), в котором одновременно с ускорением ионов различного типа осуществляется их селекция.
Устройство содержит вакуумную камеру, в которой помещены источник ионов, электроды, формирующие электростатическое поле с продольной и радиальной составляющими вектора напряженности, источник магнитного поля в виде катушки, формирующей статическое магнитное поле, пространственно совмещенное с электрическим, и приемник заряженных частиц.
Недостатком является низкая селективность разделения заряженных частиц по массам.
Целью изобретения является повышение селективности.
Поставленная цель достигается в устройстве для разделения заряженных частиц по массам, содержащем вакуумную камеру, в которой помещены источник заряженных частиц, электроды, формирующие электростатическое поле с продольной и радиальной составляющими вектора напряженности, источник магнитного поля в виде катушки, формирующей статическое магнитное поле, пространственно совмещенное с электрическим, и приемник заряженных частиц, за счет введения кольцевых электродов или кольцевых катушек, расположенных в местах поворота по радиусу заряженных частиц и образующих статические аксиально-симметричные возмущающие поля с мультипольной структурой или дипольной структурой, или квадрупольной структурой, и выполнения источника и приемника заряженных частиц кольцевыми и соосными.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан вариант устройства для разделения заряженных частиц по массам с аксиальным магнитным полем; на фиг.2 показан вариант этого устройства с азимутальным магнитным полем; на фиг.3 показаны кольцевые электроды и кольцевые катушки, образующие возмущающие поля.
Устройство содержит вакуумную камеру 1, источник 2 магнитного поля в виде катушек, электроды 3, формирующие электрическое поле, изоляторы 4, источники 5 заряженных частиц, сепарирующие щели 6 приемника 7 заряженных частиц, элементы 8, образующие возмущающие поля и представляющие собой (фиг.3) кольцевые катушки 9, кольцевые электроды 10, двупроводную кольцевую линию 11, квадрупольную кольцевую линию 12, профилированный электрод 13.
Устройство с аксиальным магнитным полем работает следующим образом.
Помещенные внутрь вакуумной камеры 1 кольцевые щелевые источники 5 заряженных частиц инжектируют внутрь вакуумной камеры 1 ионы. Они вытягиваются радиальным электрическим полем Е_r, сформированным между электродами 3. По мере набора ионами энергии они разворачиваются продольным магнитным полем, сформированным катушками источника 2 магнитного поля, и к высоковольтному электроду подходят с азимутально направленными траекториями ионов.
При этом расщепление траекторий ионов разных масс максимально и составляет:
R_i - , возмущающие элементы 8 быстро спадающим полем по-разному воздействуют на разделенные ионы разных масс. Движущиеся в поперечном магнитном поле ионы разворачиваются и начинают возвращаться обратно, против электрического поля в устройстве, но в приэлектродной области на них снова воздействют локальными возмущающими полями элементы 8 (у низковольтного электрода более эффективны электростатические возмущающие элементы, например профилированные в форме канавки электроды 13). В процессе своего движения ионы могут совершать несколько поперечных колебаний.
Слабая аксиальная составляющая электрического поля E₂(|Е₂|<<|E<sub>r|) приводит к появлению аксиального движения ионов, уже расщепленных по массам действием возмущающих полей, а структура из локальных возмущающих элементов 8, распределенных вдоль оси устройства, резонансно корректирует дальнейшее движение, еще больше увеличивая расщепление траекторий, группируя их и фокусируя движение в группах.
Поэтому к емкости приемника 7, расположенным за сепарирующими щелями 6, ионы приходят разделившись по массам и накапливаются в них.
При этом, если емкости приемника 7 находятся под потенциалом, близким к потенциалу источника 5 ионов, то затраты на разделение становятся малыми и определяются, в основном, затратами на получение ионов в источнике 5 и на поддержание статических магнитных и электрических полей. Производительность устройства определяется током извлекаемых из источников 5 ионов и растет при увеличении напряженности вытягивающего поля в устройстве, ширины и длины отверстия экстракции источника 5. При этом ширина определяется возможностями резонансной разделяющей структуры, а длина вследствие осевой симметрии устройства - только размерами устройства и может быть достаточно большой. Важно также, что скрещенность магнитного и электрического полей позволяет увеличить рабочие величины напряженности вытягивающего поля вследствие действия магнитной изоляции.
Изменением величины магнитного и электрического полей устройство легко может быть перестроено для разделения любых изотопов. В качестве источников возмущающего локального магнитного или электрического поля возможно использование кольцевых мультипольных источников поля, поскольку в таких структурах поле, на котором расстояние от области их формирования спадает как
B ~ ; E ~ , , где n - коэффициент мультипольности поля, и воздействие на разные группы ионов даже при небольшом начальном расщеплении их траекторий основным магнитным полем после прохода возмущающих участков велико.
Подобные кольцевые мультипольные источники поля могут быть выполнены на основе близко лежащих кольцевых катушек 9 или электродов 10 с знакопеременным направлением тока или потенциалов на них.
При этом для электростатических возмущающих элементов существенен учет поверхностей близких основных электродов и полей, "изображений" в них.
Фокусирующим (возмущающим) действием обладают также профилированные электроды 13, например в форме кольцевых канавок.
Устройство, выполняемое по второму варианту, с азимутальным магнитным полем для разделения заряженных частиц (фиг.2) работает следующим образом.
Помещенные внутрь вакуумной камеры 1 кольцевые щелевые источники 5 заряженных частиц инжектируют внутрь вакуумной камеры 1 ионы. Они вытягиваются радиальным электрическим полем, сформированным между электродами 3. По мере набора ионами энергии они разворачиваются азимутальным магнитным полем, сформированным торовидной катушкой источника 2 магнитного поля и к высоковольтному электроду подходят с максимальной энергией и с аксиально направленными ионами. При этом радиальное расщепление траекторий ионов разных масс максимально. Возмущающие элементы 8 быстро спадающим полем по-разному воздействуют на разделяемые ионы разных масс. Движущиеся в поперечном магнитном поле ионы разворачиваются и начинают возвращаться обратно, против электрического поля в устройстве, но в приэлектродной области на них снова воздействуют локальными возмущающими полями элементы 8 (у низковольтного электрода более эффективны электростатические возмущающие элементы, например профилированные в форме канавки электроды 13).
В процессе своего движения ионы могут совершить несколько поперечных колебаний, всякий раз увеличивая селективность разделения. Наличие аксиального дрейфа в скрещенных ЕН-полях приводит к аксиальному движению ионов, а структура из локальных возмущающих элементов 8, распределенных вдоль оси устройства, резонансно корректирует их дальнейшее движение, еще больше увеличивая расцепление траекторий, группируя их и фокусируя движение в группах.
Поэтому к емкостям приемника 7, расположенным за сепарирующими щелями 6, ионы приходят разделившись по массам и накапливаются в них. При этом, если емкости приемника 7 находятся под потенциалом, близким к потенциалу источника 5 ионов, то затраты на разделение становятся малыми и определяются, в основном, затратами на получение ионов в источнике и на поддержание статических магнитных и электрических полей.
Производительность устройства определяется током извлекаемых из источника 5 ионов и растет при увеличении напряженности вытягивающего поля в устройстве, ширины и длины отверстия экстракции источника 5. При этом ширина определяется возможностями резонансной разделяющей (возмущающей) структуры, а длина вследствие осевой симметрии устройства - только размерами устройства и может быть достаточно большой. Важно также, что скрещенность магнитного и электрического полей позволяет увеличивать рабочие величины напряженности вытягивающего электрического поля за счет магнитной изоляции.
Изобретение позволяет повысить селективность в процессе разделения и поэтому избежать каскадирования процесса разделения, а тем самым сократить потери разделяемого вещества, кроме того, повышается производительность разделяющих устройств и сокращается энергопотребление в процессе разделения.
Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для выделения изотопов тяжелых металлов из их естественной смеси, например при разделении изотопов U²³⁸ и U²³⁵. Целью изобретения является повышение селективности. Устройство содержит вакуумную камеру, источник магнитного поля в виде катушек, электроды, формирующие электрическое поле, изоляторы, источники заряженных частиц, сепарирующие щели приемника заряженных частиц, элементы, образующие возмущающие поля и представляющие собой кольцевые катушки, кольцевые электроды, двупроводную кольцевую линию, квадрупольную кольцевую линию, профилированный электрод. Устройство может быть выполнено в двух вариантах - с аксиальным магнитным полем и с азимутальным магнитным полем. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.