Способ диагностики компенсации заряда в ионных пучках магнитного сепаратора

(51) НИЯ состояния ко пучков в про параторах. Ц ление причинвейь ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБР А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Габович М.Д. Успехи физическихнаук, 1977, с.123 с.83,Незлин М.В. ЖТФ, 1960, т.30,с168,(54) СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ КОМПЕНСАЦИИЗАРЯДА В ИОННЫХ ПУЧКАХ МАГНИТНОГОСЕПАРАТОРА(57) Изобретение относится к промьппленному обогащению изотопов химических элементов электромагнитнымспособом, в частности к диагностике Изобретение относится к промышленному разделению (обогащения) стабильных химических элементов на изотопы, в частности к диагностике состояния компенсации электрического заряда в изотопных пучках сепараторов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет определения природы возникновения колебаний в изотопных пучках.На фиг. 1 дано устройство, реализующее предлагаемый способ,Устройство включает газоразрядную камеру 1 источника ионов, пластины 2, с помощью которых осущест,ЯО 1580456 А пенсации интенсивных мышленных магнитных сель изобретения - опред декомпенсации электрического заряда в изотопных пучкахсепаратора и повышение качества изотопной продукции. Предлагаемый способдиагностики состоит в мгновенной декомпенсации пучка импульсом длительностью 1 мкс, 25 В.амплитудойи частотой их следования не более4 кГц. При этом изучают связь междуколебаниями тока (и плотности) в пучке и потенциалом.его в фазе компенсации и декомпенсации. Причиной развития колебаний в токе и декомпенсации заряда в .больном числе случаев являются конвективные неустойчивости, развивающиеся в плотнойпучковой плазме. 2 ил. вляют вывод из пучка части электронов (пластины подключены к генератору 3 прямоугольных импульсов),устройство 4 в виде изолированныхмолибденовых стержней для измеренияпеременной и постоянной составляющихплотности тока пучка, подвижную установку 5 для комплексного измеренияпараметров пучка, устройство б дляизмерения потенциала пучка на середине его длины, пластины 7 для диагностики пучка, приемник 8 изотопнЫхпучков, катод 9 источника. Змитируемые катодом электроны через отверстия10 вводятся в разрядную камеру. Образующиеся ионы через выходную щельновок,Способ осуществляют следующим образом.При выходе сепаратора на рабочий режим проводят измерения потенциала пучка и интенсивности тока изотопного лучка в карман приемника и его колебания. Далее осуществляют быстрый вывод части электронов компенса - ции из пучка импульсом положительного потенциала длительностью не более одной микросекунды из начального участка пучка с плотной пучковой плазмой с амплитудой свыше 25 В.Вывод электронов компенсации коротким положительным импульсом позволяет достоверно и непосредственно 55 11 источника вводятся в камеру массепаратора в виде пучка 12. Импульсгенератора 3 и переменная или постоянная составляющие ионного тока на приемнике 8 подаются на импульсный осциллограф 13.Па йиг,2 представлены: а - осциллограммы силы тока отдельного изотопного пучка 1 е ; б - переменная56 ; + .10 составляющая тока 3 (показаны также рямоугольные импульсы в нижних часях осциллограмм).Для повышения производительности цри разделении изотопов в масс-сепараторах используют пучки с высокой интенсивностью ионных токов. ВозниКающий при этом объемный заряд комПенсируется электронами, образующимися при взаимодействии быстрых ионов Пучка с молекулами остаточного газа.11 ри значительной интенсивности возНикают колебания ионных токов. Эти Колебания могут быть вызваны различНыми причинами, например колебаниями 25 тока разряда в источнике ионов, Если колебания связаны с локальным расширением пучков, то они могут привести к снижению качества разделения изотопов в электромагнитных установках. Вместе с тем колебательные явлениямогут возникнуть непосредственно и в "пучковой плазме" за источником ионов из-за пучковой кинематической неустойчивости плазмы самого пучка. Переменные во времени поля волн неус 35 тойчивости модулируют в токе пучка переменную составляющую. Знание при,роды возникновения колебаний в изотопных пучках позволяет повысить ка/чество изотопной продукции и производительность электромагнитных устаустановить, являются ли колебания в токе и плотности тока пучка в дрейфе (т,е, за оптикой источника) органически присущими пучку и полученыпучком в момент вытягивания ионов полем оптики из газоразрядной плазмы источника или указанные колебания приобретены пучком уже после прохождения оптики, т.е. в дреййе, Операция воздействия на пучок импульсом положительной полярности в дреййе в районе оптики в плотной пучковой плазмой не воздействует на пучок и на появление или исчезновение рассматриваемых колебаний в пучке.Установлено, что в подавляющем числе случаев колебания в токе пучка возникают в области дреййа. Импульс прямоугольной Йормы для мгновенного возмущения компенсации пучка наиболее подходящ, Время нарастания фронта потенциала и убывание его практически равны нулю, Очень малое время нарастания Аронта импульса не позволяет успеть гучковой плазме осуществить защиту плазмы от высасывания электронов за счет возрастания потенциала плазмы в пространстве с пронизывающим ее пучком. Потенциал пространства плазмы через некоторое время (время релаксации) становится выше потенциала возмущающего импульса 25 В. Отсос электронов прекращается, Колебания в плазме и в пучке входят в обычный режим. Если ширина (длительность) импульса будет более одной микросекунды, то момент восстановления нейтрализации (компенсации) заряда в пучке начнется, когда в пучке накопится уже вторичный электронный заряд (конечно вместе с вторичным ионным зарядом) и связь между колебаниями тока быстрых ионов пучка и потенциалом (компенсацией) пучка будет потеряна, точнее завуалирована вторичнын зарядом.Амплитуда импульса в этой операции выбрана в 25 В потому, что пучковая плазма под воздействием внешнего электрода (относительно плазмы) принимает более высокий положительный потенциал, чем потенциал электрода (внешнего). Это защищает плазму от разделения зарядов и ее разрушения. Поскольку декомпенсирующий импульс длится одну микросекунду и плазма не успевает среагировать на это защитным увеличением потенциала, 15".) 5635 40 45 50 то зя счет отсоса электронов потенциал объема пучка достигнет значенийзондирующего импульса, т.е. 25 В. Ноэто кяк ряз тот максимальньп (пороговый) потенциал пространства пучка,который дает предел возможности использовать изотопные пучки в целяхкачественного разделения изотопов в магнитных сепараторах.Воздействие импульса осуществляют на пучок в его начальном участке с плотной пучковой. плазмой, Это обусловлено темчто, как показали первые испытания предлагаемого способа, в плотности тока и,токе быстрых ионов генерирует плотная пучковая плазма, сконцентрированная на его начальном участке (там, где пучок интенсивно ионизует неионизованный пар источника при выходе его через рабочую щель одновременно с еще не разошедшимся по углу плотным ионным пучком). В плотной пучковой плазме при прохождении быстрого пучка ионов возникает плазменная кинетическая неустойчивость (волновой колебательный процесс с большим декрементом нарастания амплитуды волны), электрические переменные поля которой, сбивают ионы пучка с предписанных им магнитным полем траекторий.Хаотические колебания в токе быстрых ионов пучка в карман возникают потому, что сброшенные со своих траекторийионы пучка (их некоторая часть, где развилась неустойчивость) не попадают в карман. По окончании (затухании) неустойчивости ионы на этих траекториях возвращаются в карман, так как траектории восстанавливают свое положение. Все это на экране осциллограАа Аиксируется как шумовые колебания (т.е. колебания нерегулярные по Аазе, частоте и амплитуде). Таким образом неустойчивости в пучковой плазме трансАормируются в колебания тока и плотности тока быстрых ионов и могут влиять на компенсацию заряда в пучке.Частоту следования декомпенсирую-. щих импульсов выбирают равной или меньше частоты восстановления компенсации заряда пучка электронами: 11 кмп 2 " ( "дик " комп ) фгде, 7 , - Время декомпенсациидЕккомпи восстановления 5 10 15 20 25 зо компенсации пучка(г, 2),Пзере:.я ц сопоставление колебяи ц степенц декомпенсяццц производят тяк: синхронно с подачей в пучок декомпенсцруюшцх импульсов измеряют переменную составляющую токапучка в Аязях компенсации и декомпенсяцци ( ,. + Со,) и сопоставляютэти колебания с поведением потенццялапучка через измерение во времениего силы тока,Медленное изменение тока пучка,характеризующее изменение тока пучка,попадающего в карман вследствие динямики декомпенсяции в отличие от случая с высокочастотной переменной составляющей, возникшей в пучке вследствие неустойчивости в пучковоц плазме,не отАильтровываются. 11 осле фильтрации наблюдают осциллограАом ток пучкас переменной составляющей. Фотографируют этц две последовательные серииизмерений, сопоставляют колебания,их характер и делают выводы относительно истинной природы колебанийи фактического влияния их на состояние компенсации зарядя пучка, т.е.производят достоверную диагностику уцкя.Ня фцг.2 а сверху показано изменение тока пучка в карман при отфизп трованной (относцтельно высокочастотной) переменой составляющей, т.е. эти осци:тлогряммы отражают измененя силы тока пучка под действием компенсации: по мере восстановления компенсации пучок в Аокусе сужается и все большая часть его проникает в карман. После установления компенсации ток пучка насыщается.На нижний канал осциллограАа включено напряжение прямоугольных импульсов (от генератора 2 б-И), Частота следования импульсов 500 Гц. Из верхней осццллограммь тока (в отАильтрованной переменной составляющей) лагко определить время декомпенсации пучкавремя восстановления компенсации , и время, и течение которого пучок пребывает в компенсированном состоянии л о до начала декомпенсации следующим импульсом (их частота следования 500 Гц). На Аиг 2 а переменная составляющая не отАильтровывается (Аиг.1 и 2).Из осциллограммы беэ отАкпьтрованной компоненты тока следует, что1580456 моменту подачи декомпенсирующего напучок потенциала соответствует почтиполное исчезновение колебаний в токепучка.Таким образом установлено,.что ко 5лебания в токе и плотности тока пучка приобретеныпучком в районе, гдеэлектрическое поле линз оптики ненарушает компенсацию, если она должна возникать, Колебания тока в пучке (их частота и интенсивность) невсегда являются показателем степенидекомпенсации пучка. Важна природаэгих колебаний,С помощью предлагаемого способаосуществлялся контроль при промьппленном накоплении обогащенньгх изотопов цинка в условиях, когда максимальный потенциал пучка сохранялсяпостоянным и,равным не более 20 вно .относительная амплитуда колебаний ручка п+ на приемнике. заметно,р,азличалась Д 1 (Еп") /1(Еп+) =5, 3,2и 0,3%. 25Разброс в "квазикомпенсированном"пучке Еп по обогащению слабо распространенного изотопа Еп(природное содержание 0,61%)составил, еслисравнивать концентрации, обогащенияэтого изотопа применительно к указанной степени модуляции Д 1 -(Еп )/1(Еп )равной 5; 3,22; 0,3%, соответственно42,9; 54,1 и 61%, При неизменном повеличине среднем во времени потенциале пучка (т.е. при неизменной компенСации ) и при прочих равных условияхв камере оператора получены толькоэа счет колебаний тока пучка ощутиморазличные обогащения (до 18%), Относи-. тепьное иэотопное загрязнение "дальними" изотопами 68, 67, 66 и 64 с ростом глубины модуляции Л 1(Еп )/ /1(Епф) существенно возрастает, т.енапример, изотопа Епв относительных единицах в Еппопадает гораздо больше в том случае, если отношение Д 1,(Еп ) /1(Еп ) больше.ф о р м у л а изобретенияСпособ диагностики компенсации заряда в ионных пучках магнитного . сепаратора, включающий операции по измерению амплитуды и частоты колебаний тока и плотности тока пучка на изотопном приемнике и в различных поперечных сечениях пучка по его длине, измерения максимального потенциала пучка, сопоставление уровня колебаний с величиной потенциала пучка, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью расширения функциональных возможностей за счет определения природы возникновения колебаний в ионных пучках с помощью электрического прямоугольного импульса положительной полярности; амплитудой свыше 25 В,длительностью не более одной микросекунды, при частоте следования импульсов менее 4 кГц осуществляют вывод элехтронов.компенсации из района пучка, прилежащего к оптике источника, измеряют и сравнивают амплитуду и частоту колебаний тока ионного пучка, потенциал пучка и плотность тока пучка в кармане приемника в.фазах его компенсации и декомпенсации при подаче электрического прямо-. угольного импульса, по которым судят о природе возникновения колебаний,1500456 1 2 оставитель Б.Кацеев актер Л .Зайцев Техред М,Ходани Л.Бескид ек и ГКНТ СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 1 Заказ 2017 Тираж 400 ВН 1 ИПИ Государственного комитета по 113035, Москва, ЖПодпис ное зобретениям и открытиям Раушская наб., д. 4/5