СПОСОБ ПЛАЗМООПТИЧЕСКОЙ МАСС-СЕПАРАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PLASMA-OPTICAL MASS SEPARATION METHOD AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к способам и устройствам для электромагнитного плазменного разделения химических элементов, изотопов и может быть использовано при выделении химических элементов или групп элементов и производстве изотопов.
Изобретение относится к перспективному приоритетному направлению развития науки и технологий: «Технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработанным ядерным топливом».
Основными областями применения изотопов и ядерно-чистых веществ является атомная техника - топливо для атомных электростанций, конструкционные материалы в реакторостроении, замедлители и поглотители нейтронов, исследование структуры и свойств веществ методами ядерного магнитного резонанса, терапевтическая ядерная медицина, радиационная стерилизация, модификация растений с помощью радиационно-индуцированных мутаций, изотопные индикаторы.
Известен способ масс-сепарации [Ошер Дж. Корпускулярная диагностика // в кн. Диагностика плазмы / под ред. Р.Хаддлстоуна и С.Леонарда. М: Мир, 1967. - С.440-441].
Известный способ масс-сепарации реализуется следующим образом.
При одновременном воздействии на заряженную частицу, движущуюся со скоростью V, электрического Е и магнитного В полей ее отклонение пропорционально силе Лоренца:
,
где:
z - кратность заряда частицы;
е - заряд электрона, Кл;
Е - векторная величина напряженности электрического поля, В/м;
с - скорость света, м/с;
V - вектор скорости частицы, м/с;
В - векторная величина напряженности магнитного поля, Гс.
Если электрические поля ориентированы под прямым углом друг к другу (скрещенные поля) и скорость потока частиц перпендикулярна обоим полям, все частицы, попадающие в область анализирующих полей, начинают двигаться по циклоидам. Но заряженные частицы, скорость которых равна
,
проходят на приемник ионов без отклонений относительно первоначального направления; таким образом выделяется ион целевого элемента или изотопа.
Признаком известного способа, совпадающим с существенным признаком заявляемого способа, является:
- создание в рабочем объеме масс-сепаратора скрещенных электрического и магнитного полей, перпендикулярных направлению движения заряженных частиц.
Недостатком данного способа является то, что в процессе сепарации одновременно выделяется ион изотопа или химического элемента только одной (целевой) массы.
Известное устройство масс-сепарации [Ошер Дж. Корпускулярная диагностика // в кн. Диагностика плазмы / под ред. Р.Хаддлстоуна и С.Леонарда. М: Мир, 1967. - С.440-441] включает входную и выходную диафрагмы для ввода-вывода потока разделяемых заряженных частиц, плоскопараллельные пластины для создания электрического поля, систему создания однородного магнитного поля, приемник выделенных ионов.
Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:
- входная диафрагма для ввода заряженных частиц;
- параллельные пластины для создания электрического поля;
- система создания магнитного поля;
- приемник выделенных ионов.
Недостатком известного устройства при разделении многокомпонентной смеси ионов является необходимость введения дополнительного элемента - генератора развертки, осуществляющего изменение напряженности электрического поля в диапазоне, определяемом массами разделяемых ионов изотопов или химических элементов.
6
Известен способ разделения изотопов [Жуков В.В., Малов А.Ф., Староверов Л.И., Суздалев В.А. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления // Патент SU №1387236, МПК B01D 59/48, опубл. 20.10.1996].
Известный способ включает ионизацию вещества, создание многокомпонентного пучка ионов, подачу пучка в область сепарации, создание в области сепарации скрещенных неоднородного электрического поля, потенциал которого изменяется по закону
,
где:
a
- постоянная величина, определяемая энергией, массой основного иона и координатами точки старта;
0
V - потенциал, ускоряющий ионы в ионном источнике, В;
r - текущий радиус траектории, м,
0
и однородного магнитного поля напряженностью Н и накопление разделенных ионов на приемниках.
Признаками известного способа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:
- ионизация вещества;
- создание многокомпонентного пучка ионов;
- создание плазмы в области сепарации;
- подача пучка в область сепарации;
- создание в области сепарации скрещенных неоднородного электрического и магнитного полей;
- накопление разделенных ионов на приемниках.
Недостатками известного способа являются:
- многокомпонентный пучок ионов создается в источнике ионов, что ограничивает ток разделяемого пучка и, следовательно, производительность процесса;
- разделение допустимо только для моноэнергетичного пучка ионов;
- трудность создания электрического поля, напряженность которого изменяется по заданному (квадратичному) закону;
- разделение осуществляется только на 2 фракции: легкий/тяжелый изотопы.
6
Известное устройство [Жуков В.В., Малов А.Ф., Староверов Л.И., Суздалев В.А. Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления // Патент SU №1387236, МПК B01D 59/48, опубл. 20.10.1996] состоит из вакуумной камеры, постоянного магнита с полюсами, магнитопровода, двух наборов концентрических электродов и приемников разделенных ионов.
Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:
- вакуумная камера;
- приемники разделенных ионов;
- набор электродов.
Недостатками известного устройства являются:
- большой вес постоянного магнита, равный 25 т.
Прототипом заявляемого способа и устройства является способ и устройство плазмооптической масс-сепарации (ПОМС-Е) [Морозов А.И., Савельев В.В. Осесимметричные плазмооптические масс-сепараторы // Физика плазмы, 2005. - Т.31, №5. - С.458-465].
Способ масс-сепарации (ПОМС-Е) по прототипу включает:
1) получение квазинейтрального аксиально-симметричного многокомпонентного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя (стационарного плазменного двигателя);
2) транспортировку потока плазмы через азимутатор, в котором в поперечном радиальном магнитном поле разным ионам сообщаются различные импульсы в азимутальном направлении - осуществляется разделение ионов по массам;
3) транспортировку потока плазмы через цилиндрический сепарирующий объем, в котором создается стационарное радиальное электрическое поле и который помещается в область однородного постоянного магнитного поля, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов;
4) компенсацию возникающего из-за ухода электронов объемного заряда плазменного потока;
5) собирание ионов на кольцевые приемники ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.
Признаками способа по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются:
1) получение квазинейтрального аксиально-симметричного многокомпонентного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя;
2) транспортировка потока плазмы через цилиндрический сепарирующий объем, в котором создается стационарное радиальное электрическое поле и который помещается в область магнитного поля;
3) собирание ионов на приемники, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.
Недостатками способа по прототипу являются:
p
p
ср
p
z
z
жесткие условия на моноэнергетичность пучка ионов и угловой разброс потока на выходе из ускорителя, которые ограничивают возможности использования способа по прототипу в практических целях. Расчеты прототипа сделаны для случая одинаковых энергий ионов различных масс на выходе из источника плазмы и малых (не более ±5°) угловых разбросов скоростей ионов плазменного потока. Практическое использование ПОМС-Е предполагает совершенствование, оптимизацию существующих плазменных ускорителей к уровню требований прототипа. Наиболее приближенный к этим требованиям стационарный плазменный ускоритель-двигатель АТОН [Морозов А.И., Бугрова А.И., Десятсков А.В., Ермаков Ю.А., Козинцева М.В., Липатов А.С., Пушкин А.А., Харчевников В.К., Чурбанов Д.В. Стационарный плазменный ускоритель-двигатель АТОН // Физика плазмы. - 1997. - Т.23, №7. - С.635-645] генерирует ионы (ксенон) с энергиями от нескольких потенциалов ионизации до eU, где U - напряжение между катодом и анодом, со средней энергией около Е≈0,75 U. В большинстве плазменных источников разброс по продольным скоростям ΔV~V. Девяносто процентов тока пучка ионов лежит внутри конуса с углом расходимости около 11°.
Устройство по прототипу [Морозов А.И., Савельев В.В. Осесимметричные плазмооптические масс-сепараторы // Физика плазмы, 2005. - Т.31, №5. - С.458-465] включает:
1) плазменный ускоритель - стационарный плазменный двигатель;
2) азимутатор;
3) катод;
4) систему создания магнитного поля в цилиндрическом сепарирующем объеме;
5) систему создания радиального электрического поля в цилиндрическом сепарирующем объеме;
6) источник электронов компенсации объемного заряда потока плазмы;
7) кольцевые приемники разделенных компонентов пучка ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.
Признаками устройства по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, являются:
1) плазменный ускоритель;
2) катод;
3) система создания магнитного поля в цилиндрическом сепарирующем объеме;
4) система создания радиального электрического поля в цилиндрическом сепарирующем объеме;
5) источник электронов компенсации объемного заряда потока плазмы;
6) приемники разделенных компонентов пучка ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.
Недостатками устройства по прототипу являются:
1) отсутствие блока фазовых превращений;
2) возможность попадания ионов разных масс на каждый из приемников (на «чужие» приемники) при использовании существующих плазменных ускорителей в качестве источников ионов химических элементов;
3) стационарный плазменный двигатель имеет вынесенный за пределы собственно плазменного ускорителя катод, что затрудняет стыковку плазменного ускорителя и азимутатора, требует модификации устройства плазменного ускорителя;
4) наличие азимутатора.
При создании способа плазмооптической масс-сепарации и устройства для его осуществления, объединенных единым изобретательским замыслом, ставилась задача создать в результате такие способ и устройство, в которых остались бы все положительные качества способа и устройства по прототипу, были обеспечены возможности масс-сепарации многокомпонентных немоноэнергетичных потоков ионов и упрощения конструкции устройства.
Технический результат заявляемых способа масс-сепарации и устройства для его осуществления заключается в расширении рабочего диапазона масс анализируемых ионов за один рабочий цикл, повышении точности разделения элементов различных масс и упрощении конструкции масс-сепаратора благодаря обеспечению возможности анализа пучков немоноэнергетичных заряженных частиц, созданию квазинейтрального плазменного потока и исключению необходимости наличия в устройстве азимутатора. При этом решена проблема стыковки азимутатора и сепарирующего объема, состоящая в присутствии в переходной области рассеянных магнитных полей, искажающих траектории движения ионов, что приводило к погрешностям при разделении ионов разных масс.
Технический результат достигается тем, что в способе плазмооптической масс-сепарации, включающем получение квазинейтрального многокомпонентного цилиндрического потока плазмы с помощью плазменного ускорителя, транспортировку потока плазмы через сепарирующий объем со стационарным радиальным электрическим полем и постоянным магнитным полем, компенсацию объемного заряда плазменного потока, собирание ионов на 3 приемника, магнитное поле в сепарирующем объеме создают аксиально-симметричным, имеющим азимутальное направление - поле прямого тока, величину азимутального магнитного поля выбирают достаточной для обеспечения замагниченности ионов и электрического дрейфа плазмы по направлению, совпадающему с направлением движения потока плазмы, разделение многокомпонентного потока плазмы по массам производят воздействием скрещенных радиального электрического и азимутального магнитного полей в процессе движения потока плазмы через сепарирующий объем.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для плазмооптической масс-сепарации, содержащем плазменный ускоритель, систему создания радиального электрического поля, систему создания магнитного поля, электронную пушку сопровождения и приемники разделенных компонентов пучка, система создания магнитного поля выполнена без азимутатора и имеет вид токопровода, размещенного на оси плазмооптического масс-сепаратора, электронная пушка сопровождения выполнена линейной, вытянутой вдоль оси плазмооптического масс-сепаратора, обеспечивающей инжекцию электронов вдоль азимутального магнитного поля.
Преимуществами заявляемого масс-сепаратора по сравнению с прототипом являются возможность работать с немоноэнергетичными пучками заряженных частиц, надежность обеспечения квазинейтральности плазменного потока и упрощенная конструкция устройства, что обеспечено изменением конфигурации и величины магнитного поля в сепарирующем объеме, устранением за ненадобностью азимутатора, осуществлявшего в предыдущих плазмооптических масс-сепараторах разделение многокомпонентного потока плазмы по массам, инжекцией электронов сопровождения вдоль азимутального магнитного поля.
Заявляемый способ плазмооптической масс-сепарации и устройство для его осуществления поясняются чертежами, приведенным на фиг.1-7.
На фиг.1 схематично изображено заявляемое устройство и даны обозначения анализирующих полей и геометрические элементы, необходимые при расчете устройства.
На фиг.2 схематично изображено заявляемое устройство (вид А-А фиг.1) и даны обозначения анализирующих полей и геометрические элементы, необходимые при расчете устройства.
На фиг.3 приведены траектории радиального движения ионов в масс-сепараторе для трех «режимов» работы - комбинаций, конфигураций электромагнитных полей: 1 - ПОМС-Е (прототип), 2 - заявляемый способ и устройство, 3 - гибридный - комбинация заявляемого способа и устройства и ПОМС-Е (прототипа).
0
0
0
На фиг.4 приведены траектории радиального движения ионов центральной массы m (кривая 1) и массы m, отличной от центральной (кривая 2; µ=m/m=0,95) в масс-сепараторе для заявляемого способа и устройства (режим 2). Точка А - точка фокусировки иона, имеющего массу m; в данной точке по длине масс-сепаратора наблюдается максимальное отклонение по радиусу траектории иона массой m (точка В).
На фиг.5 приведены траектории радиального движения иона нецентральной массы (µ=0,95) для заявляемого способа и устройства (режим 2) при различных значениях параметра ε, определяемого формулой:
,
где:
R - радиус равновесной траектории иона центральной массы, м;
υ - азимутальная скорость иона, м/с;
d
2
υ=сЕ/В - дрейфовая скорость в скрещенных азимутальном магнитном и радиальном электрическом полях, м/с,
2
d
где: E - напряженность электрического поля, обеспечивающая дрейфовое движение ионов по оси Z с постоянной дрейфовой скоростью υ, В/м.
Расстояние до точки фокусировки и максимальное отклонение траектории от равновесной растут с уменьшением параметра ε (величины азимутальной скорости).
0
0
r
На фиг.6 изображены траектории движения ионов в заявляемом масс-сепараторе (сплошные линии) и масс-сепараторе по прототипу (ПОМС-Е; штриховые линии), работающих в режиме разделения изотопов (цифры у кривых - значения параметра µ=m/m). Тонкими сплошными линиями показаны траектории ионов центральной массы m в заявляемом масс-сепараторе, которые на входе в масс-сепаратор имеют угловой разброс - амплитуда радиальной скорости V=±0,05. Указаны радиусы цилиндрических приемников разделенных ионов.
0
r
На фиг.7 изображены траектории ионов в заявляемом масс-сепараторе (сплошные линии) и масс-сепараторе по прототипу (ПОМС-Е; штриховые линии), работающих в режиме разделения химических элементов, имеющих массы 85, 139 и 240 (цифры у кривых). Тонкими сплошными линиями показаны траектории ионов центральной массы m в заявляемом масс-сепараторе, которые на входе в масс-сепаратор имеют угловой разброс - амплитуда радиальной скорости V=±0,05. Указаны радиусы цилиндрических приемников разделенных ионов.
φ
r
φ
1
2
3
1
2
Заявляемое устройство плазмооптической масс-сепарации содержит (см. фиг.1, 2) плазменный ускоритель 1, который может выполняться как по схеме ускорителя с анодным слоем, так и стационарного плазменного двигателя (ускорителя с замкнутым дрейфом электронов с протяженной или локализованной зоной ускорения), внешний цилиндрический приемник ионов 2, внутренний цилиндрический приемник ионов 3, торцевой кольцевой приемник ионов 4, электронную пушку сопровождения 5. Символами В, E и R обозначены соответственно напряженность азимутального магнитного поля, напряженность радиального электрического поля и радиус равновесной траектории. Символ I - прямой ток, создающий азимутальное магнитное поле В. М, М, М - ионы различных масс; r, r - радиусы внутреннего и внешнего цилиндрических приемников;  - скорость потока на выходе из ускорителя плазмы, соответствующая максимуму на функции распределения ионов по скоростям - наиболее вероятная скорость.
Ниже приведено краткое теоретическое обоснование возможности реализации способа и создания устройства по данной заявке.
r
φ
r
r
φ
r
Решение задачи проведено в цилиндрической геометрии (r, φ, z) в одночастичном приближении (приближение плазмооптики). На полностью скомпенсированный поток плазмы в области масс-сепарации действует радиальное электрическое поле E(r) и азимутальное магнитное поле В(r), которое на движение ионов по азимуту не влияет; электроны и ионы в данном магнитном поле замагничены. Рассмотрим движение ионов изотопов или химических элементов массой m. Пусть ионы стартуют из точки с координатами r=R (центральная - равновесная траектория), φ=z=0. Радиальная компонента электрического поля вблизи радиуса r=R изменяется как E(r)=-ER/r, где Е=E(R); магнитное поле B(r)=-BR/r, где В=B(R).
В заданных полях траектория иона описывается следующими уравнениями:
здесь с - скорость света, м/с.
z
ϕ
φ
z0
ϕ0.
ϕ0
0
ϕ0
Предположим, что скорость иона имеет две составляющие: одну υ, направленную вдоль оси Z, вторую υ=rd/dt, направленную по азимуту. В общем случае начальные значения скоростей равны υ, υ Начальная азимутальная скорость υ=K/(mR), где K=mυR=mυR - момент, сохраняющийся при движении ионов в сепараторе; величина момента одинакова для всех ионов.
1
2
1
0
0
2
d
d
φ0
z0
d
0
d
φ0
0
2
Разобьем электрическое поле Е на две составляющие: Е=E+Е. Составляющая E=mυ/eR для ионов с массой m и азимутальной скоростью υ уравновешивает центробежную силу частицы, движущейся строго по окружности радиуса R. Составляющая Е=υB/c, обеспечивает дрейфовое движение ионов по оси Z с постоянной дрейфовой скоростью υ. Таким образом, величины электрического и магнитных полей выбраны так, чтобы при начальных значениях скоростей υ=υ, υ=υ обеспечить движение ионов, имеющих массу m, с одной стороны, строго по окружности радиуса R, с другой стороны, - строго прямолинейно вдоль оси Z. Если, для упрощения уравнений, ввести безразмерные переменные χ=r/R, η=z/R, τ=υt/R и учесть закон сохранения момента К ионов, из которого следуют соотношения υ/υ=m/m, то уравнения для радиального и продольного (вдоль оси Z) движений в безразмерном виде примут вид:
0
d
2
1
d
0
d
0
||
0
||
0
d
2
1/2
2
где ε=eBR/(mcυ)=Е/Е=υ/υ, µ=m/m, β=(υ/υ) - безразмерные параметры; параметр ε можно вычислить и по формуле: ε=300BR/(2WW), где величина напряженности магнитного поля В - в Гс, радиус R - в см, W - энергия покоя иона в эВ, W=mυ /2 - «продольная» энергия плазменного потока в эВ; параметр β считаем равным единице.
0
Заявляемый масс-сепаратор может работать в трех «режимах» - конфигурациях, комбинациях электромагнитных полей, что иллюстрируется фиг.3, где цифрами обозначены: 1 - режим ПОМС-Е-3; 2 - режим 2; 3 - режим 3. Первый режим - известный - ПОМС-3-Е [В.М.Бардаков, Г.Н.Кичигин, Н.А.Строкин. Масс-сепарация ионов кольцевого плазменного потока // Письма в ЖТФ, 2009. - Т.36, вып.4. - С.75-80], в котором азимутальное магнитное поле отсутствует, ионы влетают в сепаратор с примерно равными радиальной и азимутальной составляющими скоростей. Второй режим - движение ионов без начальной азимутальной скорости - соответствует заявляемому способу и устройству. Здесь для иона центральной массы m подбираются электрическое и магнитное поля так, чтобы продольная скорость иона равнялась скорости дрейфа. Причем эта скорость не зависит от радиуса, т.е. ионы в пределах радиального размера потока будут иметь одну и ту же скорость. Третий режим - это гибрид первого и второго.
Как показывают численные расчеты, приведенные ниже, второй и третий режимы существенно отличаются от режима ПОМС-Е-3 тем, что для заданного значения параметра µ, при ε<1 в точке по оси Z, в которой происходит пространственная фокусировка ионов центральной массы (при наличии углового разброса), отклонение по радиусу ионов нецентральной массы максимальные, превышающие отклонения в случае ПОМС-Е-3, т.е. сепарация в заявляемом случае более эффективна. Наиболее привлекателен второй режим, так как здесь не надо перед введением потока в область сепарации закручивать поток плазмы (сообщать заметную азимутальную скорость).
На фиг.4-7 приведены некоторые другие результаты расчетов радиальных отклонений траекторий ионов для различных значений параметров ε, β и µ для заявляемого способа и устройства.
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
r
φ
φ
r
d
-
В плазменном ускорителе 1 (фиг.1, 2) создается квазинейтральный многокомпонентный цилиндрический поток плазмы, имеющий на выходе ускорителя наиболее вероятную скорость . Из ускорителя поток попадает в сепарирующий объем, образованный системой цилиндрических электродов 2 и 3 и торцевого кольцевого электрода 4, в котором созданы скрещенные радиальное электрическое E и азимутальное аксиально симметричное магнитное B постоянные во времени поля. Магнитное поле создается прямым током I, протекающим по проводнику, расположенному на оси масс-сепаратора. Величина B, устанавливается достаточной для замагничивания любых ионов плазменного потока, что обеспечивает электрический дрейф плазмы как целого (ионов совместно с электронами), исключая возможность разделения зарядов на масштабах, превышающих дебаевский радиус, обеспечивая неизменность распределения по радиусу напряженности электрического поля E. Такая совокупность электромагнитных полей обладает свойством фокусировки (см. фиг.4), что улучшает разделительные (дисперсионные) свойства масс-сепаратора, его качество. В комбинации созданных электромагнитных полей ионы, имеющие скорости, близкие к дрейфовой скорости υ, проходят на торцевой приемник ионов 4; другие ионы разделяются в соответствии со своими массами и поступают соответственно на приемники 2 и 3. Нарушение нейтральности плазмы (появление объемного заряда) при взаимодействии, например, с приемными электродами компенсируется «электронами сопровождения» электронной пушки (5; символ е на фиг.2).
Устройство для масс-сепарации ионов работает следующим образом.
1
2
3
φ
В плазменном ускорителе 1 (фиг.1) генерируется поток плазмы, содержащий ионы разных масс, например M, М, М, и энергий, наиболее вероятная из которых соответствует наиболее вероятной скорости . Азимутатор, обеспечивающий разделение по массам в устройстве по прототипу, в заявляемом масс-сепараторе отсутствует. В заявляемом устройстве разделение по массам происходит в магнитном и электрическом полях в сепарационном объеме (совокупность электродов 2, 3, 4), конструкционно являющемся продолжением плазменного ускорителя 1. Система создания магнитного поля имеет вид токопровода, размещенного на оси плазмооптического масс-сепаратора, по которому протекает ток I. Радиальное электрическое поле обеспечено подачей на электроды 2 и 3 разных потенциалов. Электронная пушка сопровождения 5 выполнена линейной, вытянутой вдоль оси плазмооптического масс-сепаратора, инжектируя, таким образом, электроны вдоль азимутального магнитного поля B. Ионы различных масс имеют отличающиеся траектории (фиг.4-7) в сепарационном объеме, поэтому они попадают под воздействием скрещенных электрического и магнитного полей на разные приемники ионов - позиции 2, 3, 4. Максимальное расстояние (дисперсия) между ионами разных масс наблюдается в точке фокуса для ионов центральной массы.