[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2411066C1 - Method of isotope separation and device to this end - Google Patents

Method of isotope separation and device to this end Download PDF

Info

Publication number
RU2411066C1
RU2411066C1 RU2009124129/05A RU2009124129A RU2411066C1 RU 2411066 C1 RU2411066 C1 RU 2411066C1 RU 2009124129/05 A RU2009124129/05 A RU 2009124129/05A RU 2009124129 A RU2009124129 A RU 2009124129A RU 2411066 C1 RU2411066 C1 RU 2411066C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
isotope
plasma
ions
accelerator
magnetic field
Prior art date
Application number
RU2009124129/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Вениаминович Астраханцев (RU)
Николай Вениаминович Астраханцев
Владимир Михайлович Бардаков (RU)
Владимир Михайлович Бардаков
Геннадий Николаевич Кичигин (RU)
Геннадий Николаевич Кичигин
Николай Валентинович Лебедев (RU)
Николай Валентинович Лебедев
Николай Александрович Строкин (RU)
Николай Александрович Строкин
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ГОУ ИрГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ГОУ ИрГТУ) filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ГОУ ИрГТУ)
Priority to RU2009124129/05A priority Critical patent/RU2411066C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2411066C1 publication Critical patent/RU2411066C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

FIELD: process engineering.
SUBSTANCE: invention relates to methods and device intended for electromagnetic plasma separation of isotopes. Proposed method comprises feeding working substance containing mix of n gaseous isotopes into plasma accelerator, mix ionisation and acceleration of isotope ions to be discharged integrated with quasi-neutral plasma flow through the gap in accelerator magnetic core. Note here that plasma accelerator allows circular discharge of isotope ion flow toward accelerator lengthwise axis. Then, azimuthal non-uniform magnetic field is induced in separation region, isotope ions are separated by weights in magnetic field, bulk ion flow charge is compensated for by follow-electrons source, and separated isotope ions are connected in separate receivers. Proposed isotope separation device comprises plasma accelerator, magnet, gap in magnetic core with crosswise magnetic field, receivers of separated isotope ions located on isotope ions collection line and spaced apart for distance dln.
EFFECT: higher separation quality, higher efficiency and weight resolution and minimised overall dimensions.
2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к способам и устройствам для электромагнитного плазменного разделения изотопов и получения ядерно-чистых веществ и может быть использовано при производстве стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов. Основными областями применения изотопов являются ядерная энергетика - топливо для атомных электростанций, конструкционные материалы в реакторостроении, замедлители и поглотители нейтронов, использование изотопов в квантовых стандартах частоты и длины, исследование структуры и свойств веществ методами ядерного магнитного резонанса, терапевтическая ядерная медицина, радиационная стерилизация, разведение растений с помощью радиационно-индуцированных мутаций, изотопные индикаторы - изучение распределения и путей перемещения вещества в разнообразных системах.The invention relates to methods and devices for electromagnetic plasma separation of isotopes and the production of nuclear-pure substances and can be used in the production of stable and radioactive isotopes of chemical elements. The main areas of application of isotopes are nuclear energy - fuel for nuclear power plants, structural materials in reactor engineering, neutron moderators and absorbers, the use of isotopes in quantum frequency and length standards, the study of the structure and properties of substances by nuclear magnetic resonance methods, therapeutic nuclear medicine, radiation sterilization, breeding plants using radiation-induced mutations, isotopic indicators - the study of the distribution and ways of moving substances in a variety of systems.

В настоящее время существует задача нахождения и доведения до промышленного использования альтернативного кинетическим методам разделения более универсального высокопроизводительного одностадийного метода электромагнитного разделения изотопов и элементов. Классический универсальный вакуумный ионно-пучковый электромагнитный метод [Арцимович Л.А. и др. Атомная энергия. - 1957. - Т.3, №12. - С.483] обеспечивает получение ядерно-чистых веществ с высокой степенью чистоты, но в малых (диагностических) количествах.Currently, there is the task of finding and bringing to industrial use an alternative to the kinetic separation methods of a more universal high-performance single-stage method of electromagnetic separation of isotopes and elements. The classic universal vacuum ion-beam electromagnetic method [Artsimovich L.A. and other atomic energy. - 1957. - T.3, No. 12. - S.483] provides nuclear-pure substances with a high degree of purity, but in small (diagnostic) quantities.

Перспективным высокопроизводительным считается направление, когда изотопы извлекают из плазмы, содержащей разделяемые элементы. При этом к настоящему времени наиболее «продвинутыми» с практической точки зрения оказались исследования селективного выделения одного из компонентов смеси с применением ионно-циклотронного нагрева и лазерной изотопной сепарации [Изотопы: свойства, получение, применение. В 2 тт. Т.1 / Под ред. В.Ю.Баранова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - С.307; Долголенко Д.А., Муромкин Ю.А. Разделение изотопов в плазме на основе ионного циклотронного резонанса // Успехи физических наук. - 2009. - Т.179, №4. - С.369-382]. Возможно, это связано с интересом к мощным генераторам электромагнитного излучения СВЧ, гигагерцового и светового диапазонов, которые приоритетно развивались в мире применительно к оборонным задачам.The direction when the isotopes are extracted from the plasma containing the shared elements is considered to be promising high-performance. Moreover, to date, the most “advanced” from a practical point of view has been the study of the selective separation of one of the components of the mixture using ion-cyclotron heating and laser isotope separation [Isotopes: properties, production, application. In 2 vols. T.1 / Ed. V.Yu. Baranova. - M .: FIZMATLIT, 2005. - P.307; Dolgolenko D.A., Muromkin Yu.A. Isotope separation in plasma based on ion cyclotron resonance // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. - 2009. - T.179, No. 4. - S. 369-382]. Perhaps this is due to the interest in powerful generators of electromagnetic radiation of microwave, gigahertz and light ranges, which have priority developed in the world in relation to defense tasks.

Наиболее значимое достижение при ионно-циклотронном резонансном нагреве (ИЦР) на установке РРМ со сверхпроводящим соленоидом весом 44 т при расходе 0,5-1 кВт СВЧ-мощности на 1 А эквивалентного тока ионов было получено при обогащения никеля изотопом 62Ni - около 2 г/ч [Долголенко Д.А., Муромкин Ю.А. Разделение изотопов в плазме на основе ионного циклотронного резонанса // Успехи физических наук. - 2009. - Т.179, №4. - С.377]. ИЦР требует серьезных усилий для создания полностью ионизованной стационарной плазмы с концентрацией порядка 1012 см-3, осуществления эффективной ионизации рабочего вещества в больших плазменных объемах и отличается сложностью извлечения селективных ионов из плазмы.The most significant achievement in ion-cyclotron resonance heating (ICR) on a PPM installation with a 44-ton superconducting solenoid at a flow rate of 0.5-1 kW of microwave power per 1 A of equivalent ion current was obtained by enriching nickel with 62 Ni isotope - about 2 g / h [Dolgolenko D.A., Muromkin Yu.A. Isotope separation in plasma based on ion cyclotron resonance // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. - 2009. - T.179, No. 4. - S.377]. ICR requires serious efforts to create a fully ionized stationary plasma with a concentration of about 10 12 cm -3 , to carry out effective ionization of the working substance in large plasma volumes and is difficult to extract selective ions from plasma.

В работах [Морозов А.И., Лебедев С.В. Плазмооптика // Вопросы теории плазмы / Под ред. М.А.Леонтовича. Т.8. - М.: Атомиздат, 1974. - С.264; С.Д.Гришин, Л.В.Лесков, Н.П.Козлов. Плазменные ускорители. - М.: Машиностроение, 1983. - С.204; 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; А.И.Морозов. Введение в плазмодинамику. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 616 с.] была высказана идея - применить в качестве источника квазинейтральных стационарных плазменных потоков ионов изотопов различных масс ускоритель плазмы.In the works [Morozov A.I., Lebedev S.V. Plasma optics // Issues of plasma theory / Ed. M.A. Leontovich. T.8. - M .: Atomizdat, 1974. - P.264; S.D. Grishin, L.V. Leskov, N.P. Kozlov. Plasma Accelerators - M.: Mechanical Engineering, 1983. - S.204; Morozov A.I., Semashko N.N. On mass separation of quasineutral beams // Letters in ZhTF. 2002.- T.28, issue 24. - S.63-66; Morozov A.I., Savelyev V.V. Axisymmetric plasmooptical mass separators // Plasma Physics. - 2005. - T. 31, No. 5. - p. 458-465; A.I. Morozov. Introduction to plasma dynamics. - M .: FIZMATLIT, 2008. - 616 pp.] The idea was put forward - to use a plasma accelerator as a source of quasineutral stationary plasma flows of isotope ions of various masses.

Известен способ нагрева ионов целевого (одного) изотопа в плазменном ИЦР-методе разделения изотопов и устройство для его осуществления [Патент RU №2143185, МПК Н05В 6/10, Н05В 6/64, B01D 59/48, опубл. 20.12.1999 г.], когда ионы целевого изотопа нагреваются на второй гармонике ионной циклотронной частоты в зоне высокочастотного электрического поля в плазменном потоке, находящемся в однородном магнитном поле. Высокочастотное электрическое поле при этом имеет пространственный градиент в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля. Нагрев на второй гармонике позволяет в 10 раз увеличить плотность плазмы, при которой отсутствует скинирование (ослабление) внешнего высокочастотного электрического поля в объеме плазмы. Далее в процессе разделения ионов изотопов используется различие в поперечной энергии нагретых ионов целевого изотопа и остальных более холодных ионов.A known method of heating the ions of the target (one) isotope in the plasma ICR method of isotope separation and device for its implementation [Patent RU No. 2143185, IPC Н05В 6/10, Н05В 6/64, B01D 59/48, publ. December 20, 1999], when the ions of the target isotope are heated at the second harmonic of the ion cyclotron frequency in the high-frequency electric field in the plasma stream in a uniform magnetic field. The high-frequency electric field in this case has a spatial gradient in the direction perpendicular to the direction of the magnetic field. Heating at the second harmonic allows a 10-fold increase in the plasma density at which there is no skinning (attenuation) of the external high-frequency electric field in the plasma volume. Further, in the process of isotope ion separation, a difference in the transverse energy of the heated ions of the target isotope and the other colder ions is used.

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) рабочее вещество - ионы целевых изотопов - инжектируется в область разделения в виде плазменного потока;1) the working substance — ions of the target isotopes — is injected into the separation region in the form of a plasma stream;

2) ионы изотопов извлекаются на сборники из вещества, находящегося в состоянии плазмы.2) isotope ions are extracted to collectors from a substance in a plasma state.

Недостатком способа по данному аналогу является невозможность в одном рабочем цикле извлекать из плазменного потока ионы различных изотопов - отсутствие панорамности, универсальности и высокая себестоимость.The disadvantage of the method according to this analogue is the inability to extract ions of various isotopes from the plasma stream in one working cycle — the lack of panorama, versatility, and high cost.

Известное устройство по данному способу [патент RU №2143185] включает вакуумный объем для сепарации, помещенный в однородное магнитное поле, антенну соленоидального типа для ввода электрической мощности в плазму, внешний генератор электрического поля, однооборотный виток - экрана-формирователя для перераспределения электрического поля, пластины, расположенные на краях витка, задающие градиент электрического поля и играющие роль теплового экрана, сборники ионов целевого изотопа и холодных ионов других изотопов.A known device according to this method [patent RU No. 2143185] includes a vacuum volume for separation, placed in a uniform magnetic field, an antenna of the solenoid type for inputting electric power into the plasma, an external generator of the electric field, a one-turn coil of a screen-shaper for redistributing the electric field, the plate located at the edges of the coil, defining the gradient of the electric field and playing the role of a heat shield, collections of ions of the target isotope and cold ions of other isotopes.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства являются:The signs of the known device, coinciding with the essential features of the claimed device are:

1) вакуумный объем для сепарации,1) vacuum volume for separation,

2) сборники ионов изотопов.2) collections of isotope ions.

Недостатками устройства по данному аналогу является отсутствие универсальности, панорамности, кроме того, следует отметить сложность устройства: наличие внешнего источника электрического поля, системы антенн и электродов внутри вакуумного сепарационного объема.The disadvantages of the device for this analogue is the lack of versatility, panorama, in addition, it should be noted the complexity of the device: the presence of an external source of electric field, a system of antennas and electrodes inside the vacuum separation volume.

Способ магнитоплазменного или магнитоионного разделения вещества на элементы в устройстве для разделения вещества на элементы по патенту UA №24729, МПК B01D 59/00 (опубл. 10.07.2007 г.) состоит в создании предварительной плазмы при инжекции плазмообразующего газа, ионизации газа электронным пучком, подачу рабочего пара и его ионизацию в предварительной плазме, создание однородного продольного магнитного поля, обеспечение пучково-плазменного взаимодействия, в результате которого возбуждаются ионно-циклотронные колебания, приводящие к появлению турбулентного радиального электрического поля и нагреву ионов целевого (одного) изотопа, собирание ионов тяжелых и легких изотопов на разные приемники.The method of magnetoplasma or magnetoionic separation of a substance into elements in a device for separating a substance into elements according to patent UA No. 24729, IPC B01D 59/00 (published July 10, 2007) consists in creating a preliminary plasma during injection of a plasma-forming gas, ionizing the gas with an electron beam, the supply of working steam and its ionization in the preliminary plasma, the creation of a uniform longitudinal magnetic field, the provision of beam-plasma interaction, as a result of which ion-cyclotron oscillations are excited, leading to the appearance of a turbulent radial electric field and heating the ions of the target (one) isotope, collecting ions of heavy and light isotopes to different receivers.

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) разделение ионов изотопов происходит в присутствии магнитного поля в вакуумном сепарационном объеме.1) the separation of isotope ions occurs in the presence of a magnetic field in a vacuum separation volume.

Недостатками известного способа являются отсутствие панорамности и универсальности, невысокая производительность, обусловленная низкой эффективностью генерации ионно-циклотронных колебаний в плазме, на возбуждение которых идет малая доля энергии электронного пучка, и необходимостью создания предварительной плазмы.The disadvantages of this method are the lack of panorama and versatility, low productivity due to the low efficiency of the generation of ion-cyclotron oscillations in the plasma, the excitation of which is a small fraction of the electron beam energy, and the need to create a preliminary plasma.

Известное устройство по данному способу [патент UA №24729] включает вакуумную камеру, узел подачи разделяемого вещества, узел подачи плазмообразующего газа, электронную пушку, приемники тяжелого (целевого) иона изотопа в центральной части вакуумного объема и легких ионов изотопов (отвала) в торце сепарационного объема, магнитную систему, коллектор электронного пучка.A known device according to this method [patent UA No. 24729] includes a vacuum chamber, a supply unit for a separable substance, a plasma gas supply unit, an electron gun, receivers of a heavy (target) isotope ion in the central part of the vacuum volume and light isotope ions (dump) at the separation end volume, magnetic system, electron beam collector.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства являются:The signs of the known device, coinciding with the essential features of the claimed device are:

1) вакуумная сепарационная камера,1) vacuum separation chamber,

2) узел подачи разделяемого вещества,2) the supply unit of the shared substance,

3) приемники ионов изотопов.3) isotope ion receivers.

Недостатками устройства по данному аналогу являются отсутствие панорамности и универсальности, невысокая производительность, обусловленная низкой эффективностью генерации ионно-циклотронных колебаний и необходимостью создания предварительной плазмы, кроме того, следует отметить сложность устройства, состоящую в том, что в конструкцию включена система создания предварительной плазмы, состоящая из узла подачи плазмообразующего газа, электронной пушки с электрическими схемами питания данных устройств, коллектора электронного пучка.The disadvantages of the device for this analogue are the lack of panorama and versatility, low productivity due to the low generation efficiency of ion-cyclotron oscillations and the need to create a preliminary plasma, in addition, it should be noted the complexity of the device, which consists in the fact that the design of a preliminary plasma creation system is included, which consists of from a plasma gas supply unit, an electron gun with electrical circuits for powering these devices, an electron beam collector .

Известно устройство для разделения заряженных частиц по массам по патенту RU №2142328 авторов В.Т.Доронина и А.Н.Жданова (МПК B01D 59/48, Н05Н 5/00, опубл. 10.12.1999 г.).A device for separating charged particles by mass according to patent RU No. 2142328 of the authors V.T. Doronin and A.N. Zhdanov (IPC B01D 59/48, H05H 5/00, publ. 10.12.1999).

Устройство включает вакуумную камеру, сепаратор, по которому протекает продольный ток, формирующий азимутальное магнитное поле в области продольных щелевых прорезей сепаратора, кольцевой источник заряженных частиц с выпуском ионов по радиусу в область продольных щелевых прорезей сепаратора заряженных частиц, в которых заряженные частицы, пересекая поперечное направлению движения заряженных частиц азимутальное магнитное поле, разделяются на две части - тяжелую и легкую, кольцевой приемник заряженных частиц, включающий элемент, расположенный вблизи узкой части сепаратора и принимающий легкую компоненту, и элемент, расположенный внутри широкой части сепаратора на пути потока тяжелых заряженных частиц, - приемник тяжелых заряженных частиц.The device includes a vacuum chamber, a separator, through which a longitudinal current flows, forming an azimuthal magnetic field in the region of the longitudinal slit slots of the separator, an annular source of charged particles with the release of ions along the radius into the region of the longitudinal slit slots of the separator of charged particles, in which the charged particles cross the transverse direction the motion of charged particles, the azimuthal magnetic field, is divided into two parts - heavy and light, an annular receiver of charged particles, including an element, is located dix near the narrowest part of the separator and the light receiving component, and a member disposed within the wide portion of the separator in the flow path of heavy charged particles, - a receiver of heavy charged particles.

Признаками известного устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства являются:The signs of the known device, coinciding with the essential features of the claimed device are:

1) вакуумная сепарационная камера,1) vacuum separation chamber,

2) кольцевая форма источника заряженных частиц - ионов изотопов различных масс,2) the ring shape of the source of charged particles - isotope ions of various masses,

3) сепаратор заряженных частиц - ионов изотопов различных масс - с поперечным к направлению движения заряженных частиц магнитным полем.3) a separator of charged particles - isotope ions of various masses - with a magnetic field transverse to the direction of movement of the charged particles.

Недостатком известного устройства является невозможность разделения ионов изотопов различных масс - разделение идет на группы тяжелых и легких заряженных частиц, но не по отдельным изотопам, невысокая дисперсия (расстояние на приемнике между изотопами различных масс) в однородном поперечном магнитном поле в области продольных щелевых прорезей, низкая производительность.A disadvantage of the known device is the inability to separate ions of isotopes of different masses - the separation is carried out into groups of heavy and light charged particles, but not according to individual isotopes, low dispersion (distance at the receiver between isotopes of different masses) in a uniform transverse magnetic field in the region of longitudinal slotted slots, low performance.

Прототипом способа и устройства по данному изобретению является способ сепарации по массам квазинейтральных пучков и плазмооптический масс-сепаратор [А.И.Морозов, Н.Н.Семашко. О сепарации по массам квазинейтральных пучков // Письма в ЖТФ. 2002. - Т.28, вып.24. - С.63-66].The prototype of the method and device according to this invention is a method of separation by mass of quasi-neutral beams and a plasma-optic mass separator [A.I. Morozov, N.N. Semashko. On mass separation of quasineutral beams // Letters in ZhTF. 2002.- T.28, issue 24. - S.63-66].

Способ по прототипу включает создание квазинейтрального стационарного плазменного потока ионов изотопов различных масс в ускорителе плазмы типа стационарный плазменный двигатель (СПД) или двигатель с анодным слоем (ДАС), инжекцию потока в область поперечного (радиального) магнитного поля азимутатора, разделение ионов изотопов по массам в магнитном поле азимутатора, инжекцию потока разделенных ионов изотопов в область сепарации, создание в области сепарации радиального электрического поля и продольного однородного магнитного поля, фокусировку ионов в радиальном электрическом поле, замагничивание электронов в однородном продольном магнитном поле, собирание ионов различных изотопов, каждого на свой приемник.The prototype method includes creating a quasi-neutral stationary plasma flow of isotope ions of various masses in a plasma accelerator such as a stationary plasma engine (SPD) or an anode layer engine (DAS), injecting the flow into the transverse (radial) magnetic field of the azimuthator, separating the isotope ions by mass in magnetic field of the azimuthator, injection of a stream of separated isotope ions into the separation region, creation of a radial electric field and a longitudinal uniform magnetic field in the separation region, bunching of ions in a radial electric field, magnetization of electrons in a uniform longitudinal magnetic field, collecting ions of various isotopes, each to its own receiver.

Признаками способа по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа являются:The signs of the method according to the prototype, coinciding with the essential features of the proposed method are:

1) создание квазинейтрального стационарного плазменного потока ионов изотопов различных масс в ускорителе плазмы типа стационарный плазменный двигатель (СПД) или двигатель с анодным слоем (ДАС),1) the creation of a quasi-neutral stationary plasma stream of isotope ions of various masses in a plasma accelerator such as a stationary plasma engine (SPD) or an anode layer engine (DAS),

2) собирание ионов различных изотопов, каждого на свой приемник.2) collecting ions of various isotopes, each to its own receiver.

Недостатком способа по прототипу является невозможность построения устройств по известному способу с использованием существующих в настоящее время СПД и ДАС. Известный способ требует отсутствия энергетического разброса в пучке ионов изотопов и малого (в пределах ±5°) углового разброса, в то время как энергетический разброс ΔЕ существующих плазменных ускорителей с ускоряющим напряжением в сотни вольт примерно равен основной энергии Е потока плазмы: ΔЕ~Е [С.Д.Гришин, Л.В.Лесков, Н.П.Козлов. Плазменные ускорители. - М.: Машиностроение, 1983. - С.204], а лучший из достигнутых угловой разброс составляет 11° [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]. Таким образом, способ по прототипу не может обеспечить требуемое разрешение по массам.The disadvantage of the prototype method is the inability to build devices according to the known method using currently existing SPD and DAS. The known method requires the absence of energy spread in the beam of isotope ions and a small (within ± 5 °) angular spread, while the energy spread ΔE of existing plasma accelerators with an accelerating voltage of hundreds of volts is approximately equal to the main energy E of the plasma stream: ΔЕ ~ E [ S.D. Grishin, L.V. Leskov, N.P. Kozlov. Plasma Accelerators - M .: Mechanical Engineering, 1983. - S.204], and the best of the achieved angular spread is 11 ° [Morozov A.I., Bugrova A.I., Desyatskov A.V., Ermakov Yu.A., Kozintseva M .V., Lipatov A.S., Pushkin A.A., Kharchevnikov V.K., Churbanov D.V. Stationary plasma accelerator engine ATON // Plasma Physics. - 1997. - T.23, No. 7. - S.635-645]. Thus, the prototype method cannot provide the required mass resolution.

Устройство по прототипу включает плазменный ускоритель, азимутатор, магнит, магнитопровод, электронную пушку сопровождения, сепарирующий объем, систему создания продольного магнитного поля в сепарирующем объеме, систему создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме и кольцевые приемники разделенных компонентов пучка ионов изотопов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.The prototype device includes a plasma accelerator, an azimuthator, a magnet, a magnetic circuit, an electronic tracking gun, a separating volume, a system for creating a longitudinal magnetic field in a separating volume, a system for creating a radial electric field in a separating volume, and ring receivers of separated components of an isotope ion beam located in the length and radius of the separating volume positions.

Признаками устройства по прототипу, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства являются:The signs of the device according to the prototype, coinciding with the essential features of the claimed device are:

1) плазменный ускоритель,1) plasma accelerator,

2) магнит,2) a magnet

3) магнитопровод,3) magnetic circuit,

4) сепарирующий объем,4) separating volume

5) электронная пушка сопровождения,5) electronic gun escort,

6) приемники разделенных ионов изотопов.6) receivers of separated isotope ions.

Недостатком устройства по прототипу является то, что ионы изотопов разных масс могут перемешиваться на соседних приемниках при использовании существующих плазменных ускорителей в качестве источников ионов, и, как следствие, устройство имеет низкое разрешение (степень обогащения) по массам изотопов.The disadvantage of the prototype device is that isotope ions of different masses can be mixed at adjacent receivers when using existing plasma accelerators as ion sources, and, as a result, the device has a low resolution (degree of enrichment) by mass of isotopes.

При создании способа разделения изотопов и устройства для его осуществления по заявляемому изобретению ставилась цель обеспечить высокую производительность, панорамность разделения вещества на изотопы, улучшить качество разделения (дисперсию по массам) и обеспечить минимально возможные габариты устройства (плазменного электромагнитного масс-сепаратора).When creating the isotope separation method and device for its implementation according to the claimed invention, the goal was to provide high performance, panoramic separation of the substance into isotopes, to improve the quality of separation (dispersion by mass) and to ensure the smallest possible dimensions of the device (plasma electromagnetic mass separator).

Технический результат заявляемого изобретения заключается в возможности совместить высокое разрешение по массам, которое достигнуто на традиционных вакуумных электромагнитных сепараторах, работающих с пучками ионов, с требуемой промышленностью высокой производительностью и универсальностью.The technical result of the claimed invention consists in the ability to combine the high mass resolution, which is achieved on traditional vacuum electromagnetic separators working with ion beams, with the industry required high performance and versatility.

Технический результат достигается тем, что исходное вещество, содержащее, например, смесь n изотопов, подают в газообразном состоянии в плазменный ускоритель, например с полым анодом, где смесь ионизуют в зоне ионизации и ускоряют в зоне ускорения до энергии несколько сотен эВ. Ионы изотопов в составе потока квазинейтральной плазмы выпускают через зазор в магнитопроводе, в котором создают условия для замкнутого азимутального дрейфа электронов. Ионы изотопов попадают в область сепарации вакуумного объема, в котором согласно изобретению создают неоднородное азимутальное магнитное поле - поле прямого тока с магнитной индукцией

Figure 00000001
. В вакууме напряженность магнитного поля равна:The technical result is achieved in that the starting material, containing, for example, a mixture of n isotopes, is supplied in a gaseous state to a plasma accelerator, for example, with a hollow anode, where the mixture is ionized in the ionization zone and accelerated in the acceleration zone to an energy of several hundred eV. Isotope ions in a quasi-neutral plasma flow are released through a gap in the magnetic circuit, in which conditions are created for a closed azimuthal electron drift. Isotope ions fall into the separation region of the vacuum volume, in which according to the invention create an inhomogeneous azimuthal magnetic field - direct current field with magnetic induction
Figure 00000001
. In vacuum, the magnetic field strength is equal to:

Figure 00000002
Figure 00000002

где:Where:

r - радиус, на котором определена напряженность магнитного поля,r is the radius at which the magnetic field strength is determined,

I - величина тока,I is the magnitude of the current

с - скорость света.c is the speed of light.

Ионы изотопов двигаются по радиусу к оси сепаратора в магнитном поле по ларморовским траекториям с изменяющимся вдоль траекторий ларморовским радиусом ρn, определяемым в каждой точке, например k, траектории n-го иона изотопа массой Mn по формуле:Isotope ions move along the radius to the axis of the separator in a magnetic field along Larmor trajectories with a Larmor radius ρ n varying along the trajectories, defined at each point, for example, k, the trajectory of the nth isotope ion of mass M n according to the formula:

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

где:Where:

Vn - скорость n-го иона изотопа.V n is the velocity of the nth isotope ion.

В области максимального магнитного поля вблизи поверхности токопровода ионы изменяют направление своего движения на обратное - начинают двигаться от оси сепаратора. Для исключения паразитного расхождения потока ионов в пространстве из-за возникновения по мере движения плазменного потока объемного заряда, производят компенсацию объемного заряда потока плазмы с помощью источника электронов сопровождения. В процессе движения в области сепарации ионы изотопов разделяют по массам и собирают на приемники ионов изотопов, расположенные на расстояниях, значение которых определяют по формуле:In the region of the maximum magnetic field near the surface of the current lead, the ions change the direction of their movement in the opposite direction - they begin to move from the separator axis. To eliminate stray differences in the ion flux in space due to the occurrence of a space charge as the plasma stream moves, the space charge of the plasma stream is compensated using a tracking electron source. During movement in the separation area, isotope ions are separated by mass and collected at isotope ion receivers located at distances, the value of which is determined by the formula:

Figure 00000004
Figure 00000004

где:Where:

a - радиус токопровода,a is the radius of the current lead,

V0 - начальная скорость ионов изотопов,V 0 is the initial velocity of isotope ions,

е - заряд электрона.e is the electron charge.

Для достижения технического результата в качестве источника ионов применен, например, плазменный ускоритель с полым анодом с разнесенными зонами ионизации и ускорения, с минимизированным энергетическим и угловым разбросом потока ионов изотопов. Плазменный ускоритель выполнен с кольцевым выпуском потока плазмы - по радиусу к продольной оси ускорителя, что обеспечивает прохождение потока ионов изотопов области «сильного» поля вблизи токопровода. Плазменный ускоритель может быть выполнен с выпуском потока плазмы под изменяемым углом по отношению к продольной оси ускорителя [Петросов В.А., Байдаков С.Г., Баранов В.И., Васин А.И., Назаренко Ю.С. Способ и устройство для ускорения ионов в плазменных ускорителях холловского типа. Патент RU №2196397, МПК Н05Н 1/54, F03H 1/00, опубл. 10.01.2003 г.]. Приемники разделенных ионов изотопов располагают на линии сбора, определяемой уравнением:To achieve a technical result, for example, a plasma accelerator with a hollow anode with spaced ionization and acceleration zones, with minimized energy and angular spread of the isotope ion flux, is used as an ion source. The plasma accelerator is made with an annular discharge of the plasma flow — radially to the longitudinal axis of the accelerator, which ensures the passage of the isotope ion flux in the “strong” field near the current lead. The plasma accelerator can be performed with the release of the plasma flow at a variable angle with respect to the longitudinal axis of the accelerator [Petrosov VA, Baidakov SG, Baranov VI, Vasin AI, Nazarenko Yu.S. Method and device for ion acceleration in Hall type plasma accelerators. Patent RU No. 2196397, IPC Н05Н 1/54, F03H 1/00, publ. January 10, 2003]. The receivers of the separated isotope ions are located on the collection line defined by the equation:

Figure 00000005
Figure 00000005

где:Where:

M0 - средняя (центральная) масса иона изотопа,M 0 - average (central) mass of the isotope ion,

Figure 00000006
Figure 00000006

E0 - энергия инжекции,E 0 - injection energy,

rL0 - ларморовский радиус иона изотопа центральной массы.r L0 is the Larmor radius of the central mass isotope ion.

Расстояние между приемниками ионов изотопов равно:The distance between the receivers of isotope ions is equal to:

Figure 00000007
Figure 00000007

Преимуществами предлагаемого варианта способа разделения изотопов и устройства для его осуществления являются:The advantages of the proposed variant of the method for the separation of isotopes and devices for its implementation are:

1) высокое разрешение по массам, т.е. возможность разделение изотопов с близкими массами;1) high resolution by mass, i.e. the possibility of separation of isotopes with close masses;

2) дисперсия (расстояние между ионами изотопов соседних масс на приемнике) превышает дисперсию по прототипу в η≈A/2 раз и η>>1;2) the dispersion (the distance between the ions of isotopes of neighboring masses at the receiver) exceeds the dispersion of the prototype η≈A / 2 times and η >> 1;

3) в устройстве отсутствует азимутатор;3) there is no azimuthator in the device;

4) в устройстве отсутствует система создания фокусирующего электрического поля в сепараторе.4) the device does not have a system for creating a focusing electric field in the separator.

Следует отметить, что использование плазменного ускорителя с кольцевым выпуском вдоль радиуса к оси сепаратора значительно (в десятки раз) позволило уменьшить геометрические размеры сепаратора по сравнению со случаем, когда используется выпуск аксиально-симметрично вдоль продольной оси сепаратора.It should be noted that the use of a plasma accelerator with an annular outlet along the radius to the axis of the separator significantly (tens of times) made it possible to reduce the geometric dimensions of the separator compared to the case when the outlet is used axially-symmetrically along the longitudinal axis of the separator.

Поясним происхождение названных качеств.Let us explain the origin of these qualities.

Разрешение по массам в сепарирующем пространстве по данной заявке равно:The mass resolution in the separation space of this application is equal to:

Figure 00000008
Figure 00000008

где δr - расстояние на приемнике между соседними изотопами.where δr is the distance at the receiver between adjacent isotopes.

Разрешение по массам в сепарирующем пространстве по прототипу

Figure 00000009
The mass resolution in the separation space of the prototype
Figure 00000009

и отношение ζ массовых разрешений заявляемого устройства и прототипа равно ζ≈2/А=2/(rL0/a)<<1, что подтверждает для заявляемого устройства возможность разделение изотопов с более близкими массами.and the ratio ζ of the mass resolutions of the claimed device and prototype is ζ≈2 / A = 2 / (r L0 / a) << 1, which confirms the possibility of separation of isotopes with closer masses for the claimed device.

Выбор схемы инжекции потока плазмы в сепарирующий объем определяется, в том числе, необходимостью минимизировать геометрические размеры области сепаратора, в которой создается разделяющее ионы изотопов магнитное поле. Сравнение двух вариантов инжекции - вдоль продольной оси сепаратора и вдоль радиуса сепаратора к его продольной оси позволило сделать однозначный выбор варианта инжекции - вдоль радиуса к продольной оси сепаратора. Это решение принято на основе анализа траекторий ионов в магнитном поле сепаратора (поле прямого тока). Траектории, полученные методом численного решения уравнений движения ионов, показаны на фиг.1 (малый масштаб; только начальный участок траекторий) и фиг.2 (большой масштаб). Кривая 1 на фиг.2 - траектория иона при инжекции к оси заканчивается в точке rmaxl≈365a; кривая 2 (траектория иона, инжектированного вдоль оси) уходит до значений rmax2≈16000a. Отношение геометрических размеров, определяющих объем масс-сепаратора, rmax2/ rmax1≈44. Использование плазменного ускорителя с кольцевым выпуском вдоль радиуса к оси сепаратора позволило значительно (в десятки раз) уменьшить геометрические размеры сепаратора по сравнению со случаем, когда используется выпуск вдоль продольной оси масс-сепаратора.The choice of a scheme for injecting a plasma stream into a separating volume is determined, inter alia, by the need to minimize the geometric dimensions of the separator region in which a magnetic field separating isotope ions is created. Comparison of two injection options - along the longitudinal axis of the separator and along the radius of the separator to its longitudinal axis made it possible to make an unambiguous choice of the injection option - along the radius to the longitudinal axis of the separator. This decision was made based on the analysis of ion trajectories in the magnetic field of the separator (direct current field). The trajectories obtained by numerically solving the equations of motion of ions are shown in FIG. 1 (small scale; only the initial portion of the trajectories) and FIG. 2 (large scale). Curve 1 in figure 2 - the trajectory of the ion during injection to the axis ends at the point r maxl ≈365a; curve 2 (the trajectory of the ion injected along the axis) goes to r max2 ≈16000a. The ratio of the geometric dimensions that determine the volume of the mass separator is r max2 / r max1 ≈44. The use of a plasma accelerator with an annular outlet along the radius to the axis of the separator made it possible to significantly (tenfold) reduce the geometric dimensions of the separator compared to the case when the outlet is used along the longitudinal axis of the mass separator.

Способ разделения изотопов и устройство для его осуществления поясняются чертежами.The method of isotope separation and device for its implementation are illustrated by drawings.

На фиг.1 приведены полученные методом численного счета траектории одинаковых ионов изотопов для случаев старта иона вдоль продольной оси устройства (кривая 1) и вдоль радиуса к оси устройства (кривая 2) для параметра R=eI/(V0Mc2)=0,3. Точка старта здесь r0=20a, z0=0; расстояние нормировано на радиус токопровода а.Figure 1 shows the trajectories of identical isotope ions obtained by numerical calculation for the cases of ion start along the longitudinal axis of the device (curve 1) and along the radius to the axis of the device (curve 2) for the parameter R = eI / (V 0 Mc 2 ) = 0, 3. The starting point here is r 0 = 20a, z 0 = 0; the distance is normalized to the radius of the conductor a.

На фиг.2 приведены полученные методом численного счета траектории одинаковых ионов изотопов для случаев старта иона вдоль радиуса устройства к оси (кривая 1) и старта вдоль продольной оси устройства (кривая 2). R=0,3; точка старта r0=20а, z0=0; расстояние нормировано на радиус токопровода а. Участок траектории, соответствующий движению к оси, не виден из-за большого масштаба картины движения иона изотопа в целом. Траектория 1 иона заканчивается в точке rmaxl≈365а; кривая 2 уходит до значений rmax2≈16000а.Figure 2 shows the trajectories of identical isotope ions obtained by numerical calculation for the cases of the start of the ion along the radius of the device to the axis (curve 1) and the start along the longitudinal axis of the device (curve 2). R = 0.3; starting point r 0 = 20a, z 0 = 0; the distance is normalized to the radius of the conductor a. The section of the trajectory corresponding to the motion toward the axis is not visible due to the large scale of the pattern of motion of the isotope ion as a whole. The ion trajectory 1 ends at the point r maxl ≈365а; curve 2 goes to r max2 ≈16000а.

На фиг.3 приведены траектории ионов изотопов трех разных масс, относящиеся как M1:M23=1:1,05:1,1. Цифры у кривых - это значения параметра R. Координаты нормированы на максимальный размах траекторий rmax при R=0,3. Стартовая точка: r0=20 (движение начинается к оси устройства; участок движения к оси не виден из-за большого масштаба картины движения в целом), z0=0.Figure 3 shows the trajectories of isotope ions of three different masses, related as M 1 : M 2 : M 3 = 1: 1.05: 1.1. The numbers on the curves are the values of the parameter R. The coordinates are normalized to the maximum amplitude of the trajectories r max at R = 0.3. Starting point: r 0 = 20 (the movement begins to the axis of the device; the segment of movement to the axis is not visible due to the large scale of the motion picture as a whole), z 0 = 0.

На фиг.4 приведено схематично устройство для разделения изотопов.Figure 4 shows schematically a device for the separation of isotopes.

Предложенный способ разделения изотопов реализуется следующим образом. Исходное вещество, содержащее, например, смесь n изотопов, подают в газообразном состоянии в плазменный ускоритель, например с полым анодом, с разнесенными зонами ионизации и ускорения, с минимизированным энергетическим и угловым разбросом потока ионов изотопов, где смесь ионизуют в зоне ионизации и ускоряют в зоне ускорения до энергии несколько сотен эВ. Ионы изотопов в составе потока квазинейтральной плазмы выпускают через зазор в магнитопроводе ускорителя 3, в котором создают условия для замкнутого азимутального дрейфа электронов.The proposed method for the separation of isotopes is implemented as follows. The starting material, containing, for example, a mixture of n isotopes, is supplied in a gaseous state to a plasma accelerator, for example, with a hollow anode, with spaced ionization and acceleration zones, with minimized energy and angular spread of the isotope ion flux, where the mixture is ionized in the ionization zone and accelerated in acceleration zone to an energy of several hundred eV. Isotope ions in the quasi-neutral plasma flow are released through a gap in the magnetic core of accelerator 3, in which the conditions for a closed azimuthal electron drift are created.

Плазменный ускоритель выполняют с кольцевым выпуском потока плазмы - по радиусу к продольной оси ускорителя, что обеспечивает прохождение потока ионов изотопов области «сильного» поля вблизи токопровода. Плазменный ускоритель может быть выполнен с выпуском потока плазмы под изменяемым углом по отношению к продольной оси ускорителя [Петросов В.А., Байдаков С.Г., Баранов В.И., Васин А.И., Назаренко Ю.С. Способ и устройство для ускорения ионов в плазменных ускорителях холловского типа. Патент RU №2196397, МПК Н05Н 1/54, F03H 1/00, опубл. 10.01.2003 г.]. Ионы изотопов транспортируют в область сепарации вакуумного объема, где создают неоднородное магнитное поле - поле прямого тока с магнитной индукцией

Figure 00000010
и напряженностью магнитного поля, определяемой уравнением:The plasma accelerator is performed with an annular outlet of the plasma flow — radially to the longitudinal axis of the accelerator, which ensures the passage of the isotope ion flux in the “strong” field region near the current lead. The plasma accelerator can be performed with the release of the plasma flow at a variable angle with respect to the longitudinal axis of the accelerator [Petrosov VA, Baidakov SG, Baranov VI, Vasin AI, Nazarenko Yu.S. Method and device for ion acceleration in Hall type plasma accelerators. Patent RU No. 2196397, IPC Н05Н 1/54, F03H 1/00, publ. January 10, 2003]. Isotope ions are transported to the separation region of the vacuum volume, where they create an inhomogeneous magnetic field - a direct current field with magnetic induction
Figure 00000010
and magnetic field strength defined by the equation:

Figure 00000011
Figure 00000011

где:Where:

r - радиус, на котором определена напряженность магнитного поля,r is the radius at which the magnetic field strength is determined,

I - величина тока,I is the magnitude of the current

с - скорость света.c is the speed of light.

Ионы изотопов в область сепарации вводят по направлению радиуса к оси сепаратора, где ионы изотопов в присутствии магнитного поля двигаются по ларморовским траекториям с изменяющимся ларморовским радиусом ρn, определяемым в каждой точке, например k, траектории по формуле:Isotope ions are introduced into the separation region in the direction of the radius to the separator axis, where isotope ions in the presence of a magnetic field move along Larmor trajectories with a changing Larmor radius ρ n defined at each point, for example, k, the trajectory according to the formula:

Figure 00000012
,
Figure 00000012
,

где:Where:

Vn - скорость n-го иона изотопа,V n is the speed of the nth isotope ion,

Mn - масса n-го иона изотопа.M n is the mass of the nth isotope ion.

В области максимального магнитного поля вблизи поверхности токопровода ионы изменяют направление своего движения на обратное - начинают двигаться от оси сепаратора. Для исключения паразитного расхождения потока ионов в пространстве из-за возникновения по мере движения плазменного потока объемного заряда, производят компенсацию объемного заряда потока плазмы с помощью источника электронов сопровождения. В процессе движения в области сепарации ионы изотопов разделяют по массам и собирают на приемники ионов изотопов, расположенные на расстояниях, значение которых определяют по формуле:In the region of the maximum magnetic field near the surface of the current lead, the ions change the direction of their movement in the opposite direction - they begin to move from the separator axis. To eliminate stray differences in the ion flux in space due to the occurrence of a space charge as the plasma stream moves, the space charge of the plasma stream is compensated using a tracking electron source. During movement in the separation area, isotope ions are separated by mass and collected at isotope ion receivers located at distances, the value of which is determined by the formula:

rmaxn=а·exp(V0MnC2/eI),r maxn = a exp (V 0 M n C 2 / eI),

где:Where:

a - радиус токопровода,a is the radius of the current lead,

V0 - начальная скорость ионов изотопов,V 0 is the initial velocity of isotope ions,

е - заряд электрона.e is the electron charge.

На фиг.3 приведены для примера траектории ионов изотопов трех масс M1:M23=1:1,05:1,1. Цифры у кривых - значения параметра R=eI/(V0Mc2). Координаты нормированы на максимальный размах траекторий rmax при R=0,3. Точка старта: r0=20, z0=0 (движение начинается к оси устройства; участок движения к оси не виден из-за большого масштаба картины движения в целом).Figure 3 shows, for example, the trajectory of isotope ions of three masses M 1 : M 2 : M 3 = 1: 1.05: 1.1. The numbers on the curves are the values of the parameter R = eI / (V 0 Mc 2 ). The coordinates are normalized to the maximum sweep of the trajectories r max at R = 0.3. Starting point: r 0 = 20, z 0 = 0 (the movement begins to the axis of the device; the section of movement to the axis is not visible due to the large scale of the movement as a whole).

Для осуществления способа предложено устройство для разделения изотопов с кольцевым выпуском пучка ионов - электромагнитный плазменный масс-сепаратор, содержащее плазменный ускоритель 1 (источник ионов изотопов), постоянный магнит 2, зазор магнитопровода с поперечным магнитным полем 3 (в объеме заявляемого устройства), приемники разделенных ионов изотопов 4, расположенные в сепарирующем объеме, источник электронов сопровождения 5, расположенный в сепарирующем объеме, токопровод с током 6; буквой «И» обозначены траектории движения ионов изотопов трех масс.To implement the method, a device is proposed for separating isotopes with a circular release of an ion beam — an electromagnetic plasma mass separator containing a plasma accelerator 1 (source of isotope ions), a permanent magnet 2, a gap of the magnetic circuit with a transverse magnetic field 3 (within the scope of the claimed device), receivers separated isotope ions 4 located in the separating volume, a source of tracking electrons 5 located in the separating volume, a current conductor with a current of 6; the letter “I” denotes the trajectories of the movement of isotope ions of three masses.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В зазоре магнитопровода 3 плазменного ускорителя 1 с кольцевым выпуском потока плазмы с помощью, например, постоянных магнитов 2, создают поперечное ускоряющему напряжению магнитное поле, что обеспечивает замкнутый дрейф электронов и работу плазменного ускорителя 1. Поток плазмы попадает в область максимального магнитного поля вблизи токопровода 6 и изменяет направление своего движения на обратное - начинает двигаться от оси масс-сепаратора (устройства для разделения изотопов). В сепарирующем пространстве ионы изотопов разных масс движутся по траекториям «И» и попадают на приемники разделенных ионов изотопов, которые располагаются на линии сбора, определяемой уравнением:In the gap of the magnetic circuit 3 of the plasma accelerator 1 with an annular plasma flow outlet using, for example, permanent magnets 2, a magnetic field transverse to the accelerating voltage is created, which ensures a closed electron drift and the operation of the plasma accelerator 1. The plasma stream enters the region of the maximum magnetic field near the current conductor 6 and changes the direction of its movement to the opposite - it begins to move from the axis of the mass separator (device for separating isotopes). In the separating space, isotope ions of different masses move along the “I” trajectories and fall on the receivers of the separated isotope ions, which are located on the collection line defined by the equation:

Figure 00000013
Figure 00000013

где:Where:

М0 - средняя (центральная) масса иона изотопа,M 0 - average (central) mass of the isotope ion,

Figure 00000014
Figure 00000014

E0 - энергия инжекции,E 0 - injection energy,

rL0 - ларморовский радиус иона изотопа центральной массы.r L0 is the Larmor radius of the central mass isotope ion.

Расстояние между приемниками изотопов разных масс равно:The distance between the receivers of isotopes of different masses is equal to:

Figure 00000015
.
Figure 00000015
.

В области сепарации для обеспечения компенсации объемного заряда в потоке ионов изотопов генерируются электроны из источника электронов сопровождения 5.In the separation field, in order to compensate for the space charge in the isotope ion stream, electrons are generated from the tracking electron source 5.

Высокое разрешение по массам

Figure 00000016
в данном случае обусловлено использованием неоднородного магнитного поля, спадающего обратно пропорционально радиусу траектории иона изотопа, и расположением приемников ионов изотопов на расстояниях rmaxn, равных максимальному удалению от точки старта каждого из ионов изотопов.High mass resolution
Figure 00000016
in this case, it is due to the use of an inhomogeneous magnetic field that decreases inversely with the radius of the trajectory of the isotope ion, and the location of the receivers of isotope ions at distances r maxn equal to the maximum distance from the start point of each of the isotope ions.

Высокая производительность получения изотопов с помощью предложенного электромагнитного плазменного масс-сепаратора обеспечивается применением в качестве источника ионов плазменного ускорителя, в котором отсутствует ограничение на ток пучка ионов изотопов собственным объемным зарядом, и применением источника электронов сопровождения.The high productivity of producing isotopes using the proposed electromagnetic plasma mass separator is ensured by the use of a plasma accelerator as an ion source, in which there is no limitation on the current of the isotope ion beam by its own space charge, and by using a tracking electron source.

Универсальность предложенного электромагнитного плазменного масс-сепаратора обеспечивается применением в качестве сепарирующего неоднородного магнитного поля и собиранием разделенных ионов изотопов на индивидуальные приемники.The universality of the proposed electromagnetic plasma mass separator is ensured by the use of a separate inhomogeneous magnetic field and the collection of separated isotope ions at individual receivers.

Claims (2)

1. Способ разделения изотопов, включающий подачу рабочего вещества, содержащего смесь n изотопов в газообразном состоянии, в плазменный ускоритель, ионизацию смеси в зоне ионизации и ускорение ионов изотопов в зоне ускорения до энергии несколько сотен эВ, выпуск ионов изотопов в составе потока квазинейтральной плазмы через зазор в магнитопроводе ускорителя, в котором создают условия для замкнутого азимутального дрейфа электронов, отличающийся тем, что плазменный ускоритель выполняют с кольцевым выпуском потока ионов изотопов по направлению к продольной оси ускорителя, в области сепарации создают азимутальное неоднородное магнитное поле с магнитной индукцией
Figure 00000017
и напряженностью магнитного поля, определяемой уравнением:
Figure 00000018

где r - радиус, на котором определена напряженность магнитного поля, м,
I - величина тока, А,
с - скорость света, м/с,
разделяют ионы изотопов по массам в магнитном поле, компенсируют объемный заряд ионного потока с помощью источника электронов сопровождения и собирают разделенные ионы изотопов на индивидуальные приемники.
1. A method for separating isotopes, including supplying a working substance containing a mixture of n isotopes in a gaseous state to a plasma accelerator, ionizing the mixture in the ionization zone and accelerating isotope ions in the acceleration zone to an energy of several hundred eV, releasing isotope ions in a quasi-neutral plasma stream through the gap in the accelerator’s magnetic circuit, in which the conditions for a closed azimuthal electron drift are created, characterized in that the plasma accelerator is performed with an annular outflow of isotope ion flow in the direction eniyu to the longitudinal axis of the accelerator, in the separation area create azimuthal non-uniform magnetic field with the magnetic induction
Figure 00000017
and magnetic field strength defined by the equation:
Figure 00000018

where r is the radius at which the magnetic field is determined, m,
I is the magnitude of the current, A,
s is the speed of light, m / s,
they separate the isotope ions by mass in a magnetic field, compensate for the space charge of the ion flux using a source of tracking electrons, and separate the separated isotope ions to individual receivers.
2. Устройство для разделения изотопов, содержащее плазменный ускоритель, магнит, зазор магнитопровода с поперечным магнитным полем, приемники разделенных ионов изотопов, расположенные в сепарирующем объеме, отличающееся тем, что плазменный ускоритель выполнен с кольцевым выпуском ионов изотопов по направлению к продольной оси ускорителя, приемники разделенных ионов изотопов расположены на линии сбора ионов изотопов, определяемой уравнением:
Figure 00000019

где М0 - средняя (центральная) масса иона изотопа, кг,
М - масса иона изотопа, кг,
Figure 00000020

E0 - энергия инжекции, Дж,
rL0 - ларморовский радиус иона изотопа центральной массы, м,
rmaxn=a·exp(V0Mnc2/eI) - максимальное расстояние, на которое уходят ионы изотопов в области сепарации, м,
где a - радиус токопровода, м,
V0 - начальная скорость ионов изотопов, м/с,
Mn - масса n-го изотопа, кг,
e - заряд электрона, Кл,
при этом сборники разделенных ионов изотопов разнесены друг от друга на расстояние dln, определяемое уравнением:
Figure 00000021
.
2. A device for separating isotopes containing a plasma accelerator, a magnet, a gap of a magnetic circuit with a transverse magnetic field, receivers of separated isotope ions located in a separating volume, characterized in that the plasma accelerator is made with an annular release of isotope ions towards the longitudinal axis of the accelerator, receivers Separated isotope ions are located on the isotope ion collection line defined by the equation:
Figure 00000019

where M 0 is the average (central) mass of the isotope ion, kg,
M is the mass of the isotope ion, kg,
Figure 00000020

E 0 - injection energy, J,
r L0 - Larmor radius of the isotope ion of central mass, m,
r maxn = a · exp (V 0 M n c 2 / eI) is the maximum distance at which the isotope ions in the separation region, m,
where a is the radius of the current lead, m,
V 0 - initial velocity of isotope ions, m / s,
M n is the mass of the n-th isotope, kg,
e is the electron charge, C,
while the collections of separated isotope ions are spaced from each other by a distance d ln defined by the equation:
Figure 00000021
.
RU2009124129/05A 2009-06-24 2009-06-24 Method of isotope separation and device to this end RU2411066C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009124129/05A RU2411066C1 (en) 2009-06-24 2009-06-24 Method of isotope separation and device to this end

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009124129/05A RU2411066C1 (en) 2009-06-24 2009-06-24 Method of isotope separation and device to this end

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2411066C1 true RU2411066C1 (en) 2011-02-10

Family

ID=46309165

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009124129/05A RU2411066C1 (en) 2009-06-24 2009-06-24 Method of isotope separation and device to this end

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2411066C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112808004A (en) * 2020-12-31 2021-05-18 中国原子能科学研究院 Isotope electromagnetic separation method
CN114405273A (en) * 2021-12-24 2022-04-29 中国原子能科学研究院 Multi-element isotope electromagnetic separator and ion source position determining method

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112808004A (en) * 2020-12-31 2021-05-18 中国原子能科学研究院 Isotope electromagnetic separation method
CN112808004B (en) * 2020-12-31 2024-02-20 中国原子能科学研究院 Isotope electromagnetic separation method
CN114405273A (en) * 2021-12-24 2022-04-29 中国原子能科学研究院 Multi-element isotope electromagnetic separator and ion source position determining method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2329692B1 (en) High-current dc proton accelerator
US8084965B2 (en) All-Ion accelerator and control method of the same
Barth et al. U 2 8+-intensity record applying a H 2-gas stripper cell
Trubnikov et al. Project of the Nuclotron-based ion collider facility (NICA) at JINR
RU2405619C1 (en) Method of separating isotopes and device for realising said method
RU2411066C1 (en) Method of isotope separation and device to this end
US7501640B2 (en) Low energy electron cooling system and method for increasing the phase space intensity and overall intensity of low energy ion beams
Toonen et al. Gigahertz repetition rate thermionic electron gun concept
RU2411067C1 (en) Method of isotope separation and device to this end
Herfurth et al. Highly charged ions at rest: The HITRAP project at GSI
Dudnikov Development of a surface plasma method for negative ion beams production
RU2681524C1 (en) Plasma-optic mass separator ions beam generation method and device for its implementation
Dolbilov Induction synchrotron with a constant magnetic field
RU2451435C1 (en) Method for cyclic acceleration of charged particles
RU2446489C2 (en) Plasma-optical mass separation method and apparatus for realising said method
Tomita et al. 2.5 Measurement of convoy electron yield for atomic ions
RU2469776C1 (en) Method of panoramic plasma mass-separation and device for method of panoramic plasma mass-separation (versions)
RU2468546C1 (en) Positron acceleration method, and device for its implementation
RU2760276C1 (en) Method for increasing the cluster ion beam current
US20070282672A1 (en) Method and assembly for nuclear fusion using multiple intersecting positive ion storage rings
Uggerhøj The Aarhus storage ring—A research facility for physics, chemistry, medicine, and materials sciences
Slobodrian et al. A polarized 3He ion source for electrostatic accelerators
Shani Instrumentation, Particle Accelerators, and Particle and Radiation Detection
Ermakov et al. Design of a linear accelerator with a magnetic mirror on the beam energy of 45 MeV
Bogdanovich et al. EXPERIMENTAL STUDY OF SYSTEM FOR A SIMULTANEOUS BEND OF UNIDIRECTIONAL ELECTRON AND PROTON BEAMS

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140625