УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И СБОРА ИОНОВ ИЗОТОПОВ ИЗ ПЛАЗМЫ

Полезная модель относится к технике лазерного разделения изотопов и может быть использована при производстве редких изотопов, например, изотопов иттербия - 168 или палладия - 102, в целях их применения в приборостроении и биологических исследованиях, а также в радиационной медицине, в частности для лечения злокачественных образований.
235
Одной из основных задач при получении редких изотопов в целях их промышленного производства является повышение селективности целевых изотопов извлекаемых (экстрагируемых) из паров атомов исходного материала после селективной ступенчатой фотоионизации методом лазерного разделения изотопов (ЛАРИЗ). Метод ЛАРИЗ основан на изотопически селективной фотоионозации атомов выделяемого изотопа лазерным излучением при свободномолекулярном течении паров разделяемого вещества через зону облучения и последующем извлечении (экстракции) ионов из образовавшейся плазмы. Степень ионизации фотоплазмы достаточно мала, т.к. ионизуются в основном атомы целевого изотопа, содержание которого в исходном материале мало (например, для урана содержание изотопа U составляет 0,7% ат, для иттербия - 168 естественное содержание составляет около 0,14% ат.).
Таким образом, поток пара атомов исходного вещества, истекающий из испарителя и облученный посредством лазерного излучения в зоне ионизации представляет собой слабоионизированную плазму, в которой имеется и значительная доля неионизированных атомов. Посредством устройства для извлечения ионов изотопов из плазмы (экстрактора) соответствующей конструкции, создают электрическое поле, с помощью которого ионы целевого изотопа вытягивают из плазмы и отводят в приемное устройство (сборник атомов изотопов).
Извлечение ионов целевого (редкого) изотопа из фотоплазмы и осаждение его в сборнике изотопного продукта осуществляют с учетом существенных особенностей слабоионизированного атомного пучка. Несмотря на малую степень ионизации, ионы и электроны в зоне фотоионизации образуют плазму, характеризующуюся наличием коллективных эффектов. Как правило, извлечение ионов осуществляют с помощью электрических или магнитных полей, или их комбинацией).
В установках промышленного получения редких изотопов с использованием ЛАРИЗ основная проблема при извлечении ионов изотопов из плазмы состоит в том, что одновременно с образованными лазером ионами при селективной фотоионизации на приемник изотопов попадают неионизированные атомы пара, что значительно снижает фактор обогащения.
Наиболее близким к описываемой полезной модели является устройство для извлечения и сбора ионов из плазмы, используемое в установке для получения редких изотопов методом лазерного разделения изотопов (Патент США №3,772, 519, МПК В01D 59/34, НПК 250/427, oп. 1978 г.), включающее, по крайней мере, два электрода, подключенные к высоковольтному источнику постоянного тока.
Извлечение ионов целевого изотопа из фотоплазмы в известном устройстве осуществляют посредством электрического и магнитного полей, а стартовый материал собирают на катоде-коллекторе. Ионы в известном устройстве предполагается экстрагировать из плазмы с помощью магнитогидродинамического извлечения из плазмы, т.е. путем наложения на плазменный столб такой комбинации постоянного магнитного и импульсного электрического поля, при котором ионы плазмы получали бы приращение скорости направленного движения в направлении, перпендикулярном движению атомного пучка пара. Создаваемое при этом взаимодействие направленного движения ионов в плазме с наложенным внешним магнитным полем способствует формированию в плазме вихревого электрического поля с напряженностью до 60 В/см. Такое поле может приводить к дополнительной неселективной ионизации атомов пара естественного (природного) состава электронами плазмы. В условиях, когда содержание целевого изотопа мало (редкий изотоп) этот эффект не позволяет достигать высокой селективности фотоионизации, что делает невозможным промышленную наработку редких изотопов.
Сбор ионов в известном устройстве осуществляют на открытый катод - коллектор. При этом ускоренные ионы и быстрые атомы целевого изотопа, которые возникают вследствие перезарядки ионов целевого изотопа на атомах наиболее представленных изотопов бомбардируют поверхность коллектора. При такой бомбардировке часть осажденных атомов целевого изотопа выбивается быстрыми частицами с поверхности и теряется. В результате эффективность сбора ионов целевого изотопа на открытый коллектор невелика.
13
-3
Кроме того, при использовании открытого коллектора характерно то, что в процессе сбора ионов целевого изотопа на него осаждаются атомы других изотопов, присутствующие в атомном пучке естественного состава. При этом существует два механизма, приводящие к фоновому загрязнению открытого коллектора. Прежде всего - это рассеяние части атомов ленточного пучка (так называемых крыльев угловых распределений атомов в пучке) на конструкциях вакуумной камеры (диафрагмы, экраны и т.п.) установки для получения изотопов и образование рассеянных диффузно атомов атомного пучка во всем пространстве камеры. Для случая выделения редкого изотопа этот канал фонового загрязнения является определяющим. Второй механизм обусловлен наличием в атомном пучке редких догоняющих столкновений атомов и их рассеянием при столкновении на большие углы (~1). Этот механизм зависит от сечений атом-атомного взаимодействия между одинаковыми атомами и при плотности атомов пучка превышающих ~10см этот канал загрязнения становится важным.
В результате указанных процессов устройство с открытым коллектором не позволяет эффективно собирать ионы редких изотопов в приемном устройстве, а также нарабатывать целевые изотопы с высоким обогащением.
Таким образом, технический результат, получаемый от использования настоящей полезной модели состоит в повышении эффективности сбора ионов целевого изотопа и увеличении степени обогащения получаемого целевого изотопа за счет исключения засорения коллектора исходной смесью изотопов.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для извлечения ионов изотопов из плазмы, включающее подключенные к высоковольтному источнику постоянного тока, два электрода, один из которых является анодом, а второй - катодом, содержит кожух с входной щелью, съемный сборник ионов целевого изотопа, размещенный на внутренней поверхности кожуха и защитный козырек укрепленный на внешней поверхности кожуха вдоль кромки входной щели, при этом кожух выполнен из проводящего материала и является анодом, катод расположен внутри кожуха, а конфигурацию электродов выбирают с возможностью расположения области между электродами вне зоны образования плазмы.
Целесообразно в области входной щели кожуха установить, по крайней мере, один дополнительный электрод под отрицательным потенциалом, площадь поверхности которого меньше площади входной щели, подключенный к дополнительному источнику постоянного тока.
Выполнение анода в виде замкнутого кожуха со щелью и использование его в качестве экрана для катода (коллектора) позволяет, практически, полностью избежать засорение катода и сборника исходной необогащенной смесью изотопов и получать в конце процесса ценные редкие изотопы в промышленных масштабах с достаточно высоким процентным содержанием. За счет исключения магнитного поля в плазме отсутствуют внутренние вихревые электрические поля, обусловленные направленным движением ионов, что позволяет сохранять высокую селективность фотоионизации атомов целевого изотопа.
При этом размещение системы электродов, создающих электрическое поле вне зоны фотоионизации, резко снижает вероятность попадания на катод атомов других необогащенных изотопов, находящихся в атомном паре.
Полезная модель поясняется чертежом фиг.1-4, где представлены на:
фиг.1 - структурная схема устройства для извлечения ионов изотопов (вид со стороны щели),
фиг.2 - схема устройства в поперечном разрезе и принципа его действия,
фиг.3 - схема расположения устройства для извлечения ионов изотопов по отношению к основным элементам внутри одного из модулей в разделительной камере установки для получения изотопов (вид в поперечном сечении).
фиг.4 - зависимость времени извлечения ионов от потенциала электрического поля на границе плазмы,
фиг.5 - Зависимость ионного тока из фотоплазмы на катод от напряжения, приложенного к катоду.
Устройство для извлечения ионов изотопов из плазмы в соответствии с полезной моделью содержит кожух 1 с входной щелью 2, вдоль кромки которой укреплен защитный козырек 3. Кожух 1 выполнен из проводящего материала в виде замкнутого экрана изотопа, выполненный, в простейшем случае, из медной фольги толщиной 0.025 мм, которую для предотвращения коробления в процессе работы (что может приводить к изменению электрического поля внутри кожуха 1) прижимают к внутренней поверхности корпуса с помощью распорных колец 6.
Ширину входной щели 2 выбирают достаточно малой по отношению к длине окружности кожуха 1 исходя из условия выполнения основных функций кожуха 1, а именно: уменьшение потока фоновых атомов, попадающих внутрь кожуха 1 и загрязняющих целевой продукт, и уменьшение потерь распыляемого внутри кожуха 1 целевого изотопа за счет вылета вещества через щель 2 наружу.
Кожух 1 (экранный электрод) является анодом и подключен к «земле», например, соединен с корпусом вакуумной камеры. Катод 4 соединен через ввод 8 с высоковольтным источником постоянного тока 7. Дополнительный электрод 9 через высоковольтный ввод 10 соединен с дополнительным источником постоянного тока 11. В простейшем варианте дополнительный электрод 9 представляет тонкую проволоку диаметром 25 - 100 мкм из проводящего материала (тантал или медь). Возможны и более сложные конфигурации электрода 9, например, в виде комбинации тонких электродов с заданным распределением электрического потенциала. Во всех случаях диаметр дополнительных электродов 9 должен быть много меньше поперечного размера входной щели 2.
Катод 4 внутри кожуха 1 зафиксирован посредством опор 12. Изогнутая планка 13 и пружинка 14 служат для натяжения дополнительного электрода 9, для предохранения его от провисания проволоки в процессе прогревания протекающим током, что может приводить к короткому замыканию источника тока 11.
Защитный козырек 3 установлен для защиты щели 2 от падающего прямого потока 15 атомного пара («крыльев» углового распределения) из испарителя 16.
168
Конструкция устройства для извлечения и сбора ионов изотопов из плазмы разработана с помощью численного моделирования, с оптимизацией параметров на полноту сбора ионов. В результате моделирования различных вариантов устройства, например, для получения изотопа - Yb, выбрана оптимальная конструкция, содержащая цилиндрический кожух 1 длиной 100 см со щелью 10 мм, катод 4 с полукруглым профилем и сетчатый дополнительный электрод 9 диаметром 100 мкм, установленный перед щелью 2 над козырьком 3. Действующая конструкция устройства, длина которого составляет порядка 1 м, а внутренний диаметр равен 50 мм, позволяет извлекать из плазмы не менее 80% ионов.
Устройство работает следующим образом.
Устройство для извлечения и сбора ионов изотопов из плазмы помещают в вакуумную камеру 17 установки получения изотопов таким образом, чтобы щель 2 была обращена в сторону зоны ионизации плазмы 18, а защитный козырек 3 представлял собой препятствие для атомов пара изотопов, вылетающих из испарителя 16. Регулировку положения устройства относительно оси испарителя осуществляют с помощью специальных котировочных винтов, окончательную тонкую юстировку осуществляют при освещении атомного пучка первым лазерным каналом, вызывающим люминесценцию пара.
Потенциалы катода 4 и дополнительного электрода 9 подбирают таким образом, чтобы ионы целевого изотопа фокусировались преимущественно на нижнюю плоскость катода 4 (коллектора).
168
12
-3
9
-3
2
4
В вакуумной камере 17 в результате селективной фотоионизации атомного пучка образуется столб фотоплазмы 18, состоящий из электронов и ионов преимущественно целевого изотопа. Плотность плазмы определяется степенью ионизации паров атомного пучка. Например, при наработке редкого изотопа Yb характерны следующие параметры плазменного образования: для полученной плотности атомов пучка в зоне фотоионизации ~(0.5-2)·10 см плотность заряженных частиц составляет ~(0,1…1,5)10 см, размер (сечение) фотоплазмы в типичном случае порядка ~3 см (линейный размер вдоль оси разлета пара ~2-3 см, поперечный ~1,5-1 см), а скорость направленного движения пучка - ~3·10см/с.
На катод 4 подают постоянное отрицательное напряжение с амплитудой до 20 кВ, а на дополнительный электрод 9 (сетку) - отрицательное напряжение с амплитудой до 5 кВ. Кожух 1 (экранный электрод) и сборник 5 изотопного продукта (медная фольга) находятся под потенциалом «земли» (корпус вакуумной камеры). Внутри кожуха 1 возникает электрическое поле достаточно сложной конфигурации, которое через щель 2 проникает в область зоны фотоионизации и накладывается на фотоплазму. Для увеличения эффективности извлечения ионов из фотоплазмы используют один или несколько дополнительных электродов 9, расположенных вне замкнутого экранирующего кожуха 1 и находящихся под отрицательными потенциалами. Дополнительный электрод 9 расширяет область проникновения электрического поля в фотоплазму, увеличивая тем самым область взаимодействия электрического поля устройства для извлечения ионов с плазменным столбом. Таким образом, дополнительный электрод 9 способствует увеличению числа вытягиваемых из плазмы ионов, практически не взаимодействуя с ними.
В описываемом устройстве реализован метод извлечения ионов из сгустка в режиме закона «Трех вторых». При наложении внешнего электрического поля на изолированный плазменный сгусток плотность тока Ji ионов с поверхности плазменного столба, находящегося перед щелью 2 устройства (фиг.2) описывается известным законом Чайлда-Ленгмюра Ji~U3/2, где U - значение потенциала электрического поля на границе фотоплазмы. Возникновение режима извлечения ионов по закону «трех вторых» подтверждается экспериментально. Начиная с некоторого значения напряжения (для описываемого устройства это напряжение ~15 кВ) ионный ток насыщается и более не растет, что обусловлено полным извлечением ионов из плазменного сгустка. Поэтому величина 20 кВ выбрана как оптимальное напряжение, т.к. при больших значения напряжения при длительной эксплуатации возникают проблемы с электрической прочностью, обусловленные микроразрядами и пробоями вакуумных промежутков по поверхности электродов.
168
Формирование плазменного столба происходит достаточно быстро (за время порядка существования лазерного излучения в оптическом резонаторе с внеосевым вводом составного лазерного пучка. В случае получения Yb, это время не превышает 0,2 мкс.
Время «извлечения» ионов определяют из предпосылки, что ионный заряд уходит из неподвижной плазмы слой за слоем, а расстояние между границей фотоплазмы и кожухом 1 уменьшается за счет движения границы фотоплазмы в его сторону. Оценка времени «извлечения» Тc представляют выражением:
3
с
Tc~X Ni/U3/2, где
Тc - время «извлечения» (сек),
Хс - расстояние между границей фотоплазмы и дополнительным электродом 9.
U - напряжение (потенциал) электрического поля на границе с фотоплазмой (В).
i
e
10
9
8
-3
10
-3
=
Экспериментально измеренные времена извлечения ионов из плазмы устройством в соответствии с полезной моделью представленные на фиг.3 и 4 согласуются с расчетными данными. На фиг.3 приведена зависимость времени извлечения для характерного расстояния между фотоплазмой и электродом 9-Хс=1 см от потенциала электрического поля на границе плазмы, где сплошные кривые приведены для плотности ионов N, соответственно 10, 10, 10 см (сверху вниз). Пунктирная кривая для электронного заряда с плотностью N10см.
Осциллограммы ионного тока, представленные на фиг.4, где Т11 - ионный фототок, а Т12 - темновой ток (без лазерного излучения), полученные в два прохода при апертуре 0.5 см, ионном токе - 1300 мкА и напряжении на электродах устройства для извлечения и сбора ионов из плазмы 10 кВ и 3.5 кВ, показывают, что за время между отдельными импульсами лазерного излучения 90 мкс практически все ионы успевают извлекаться из фотоплазмы.
Траектории ионов целевого изотопа представлены на фиг.2. Ионы, достигающие катода 4 имеют значительную энергию и совершают движение по сложной траектории 19, включая даже облет катода 4. Падая на поверхность катода 4 ионы распыляют материал катода. Количество выбитых атомов катода в расчете на один падающий ион обычно называют коэффициентом ионного распыления Ки. Величина Ки зависит от таких параметров, как энергии падающего иона, массы иона и материала катода, угла падения ионов на катод, состояния поверхности катода и др. В случае сбора ионов иттербия и катода 4 изготовленного из меди, для напряжения на катоде - 20 кВ, величина Ки составляет ~8-16.
При бомбардировке поверхности катода налетающий ион иттербия проникает достаточно глубоко вглубь материала катода (обычно это десятки атомных слоев) и внедряется в материал катода. Налетающие в следующем импульсе ионного тока быстрые ионы иттербия стравливают послойно верхние слои материала катода, распыляя не только атомы катода, но и внедренные в материал атомы целевого изотопа иттербия. Распыленный материал катода вместе с атомами целевого изотопа распыляется внутри закрытого кожуха. Как правило, распыленные при ионной бомбардировке атомы материала распыляются по закону «косинуса» при условии нормального падения иона на поверхность. В результате экспериментального исследования определены преимущественные углы разлета распыляемого материала катода.
Конструкция устройства для извлечения ионов изотопов из плазмы в соответствии с полезной моделью и взаимное расположение электродов внутри кожуха устройства выбирают таким образом, чтобы распыляемый материал преимущественно осаждался на сборник 5 целевого изотопа. Распыляемые с поверхности катода атомы имеют малую энергию (~1 эВ) и повторного распыления осаждаемого материала с поверхности сборника 5 не происходит. Таким образом, в описываемом устройстве извлечение ионов из фотоплазмы и сбор атомов целевого изотопа разделены пространственно, при этом перенос атомов целевого изотопа с катода 4 на сборник 5 осуществляется за счет распыления материала электрода быстрыми ионами преимущественно целевого изотопа.
Окончание процесса определяют по отсутствию атомного пара, после чего производят извлечение сборника 5 с обогащенным изотопным продуктом обогащенного материала для смыва изотопного продукта. Извлечение обогащенного материала осуществляется хорошо разработанными химическими методами, например, методом растворения в кислоте с последующим преобразованием в оксид иттербия.
Благодаря тому, что сбор атомов целевого изотопа в устройстве для извлечения ионов изотопов из плазмы в соответствии с изобретением осуществляется не осаждением на катод, а на специальный сборник 5, окружающий катод 4 удается совместить высокое напряжение на коллекторе 4, необходимое для полного извлечения ионов целевого изотопа из фотоплазмы, с малыми потерями атомов целевого изотопа за счет распыления быстрыми ионами.
Описываемая конструкция устройства для извлечения и сбора ионов изотопов из плазмы позволила существенно уменьшить коэффициент засорения устройства и тем самым повысить эффективность обогащения изотопного целевого продукта целевым изотопом. Эксперименты продемонстрировали и высокую эффективность накопления целевого изотопа (до 90%).