УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО МАССЕ

Винахід належить до плазмової та ядерної техніки і призначений для розділення заряджених частинок за масою. Він може бути використаний при отриманні чистих металів, виробництві ядерного палива, в атомній промисловості, енергетиці, металургії та інших галузях промисловості.

Відомо пристрій для розділення заряджених частинок за масою. Він містить циліндричну вакуумну камеру, усередині якої розташовані два циліндричних коаксіальних електроди для створення радіального електричного поля, що поміщені в поздовжнє магнітне поле. Так, у системі створюються схрещені електричне і магнітне поля, що призводять до обертання плазми. Створення, прискорення та обертання плазми відбувається під час електричного розряду між внутрішнім і зовнішнім електродом, що призводить до протікання радіального струму. Розділення заряджених частинок відбувається в полі відцентрових сил.

Недоліками цього пристрою є низька продуктивність за рахунок виникаючих в плазмі, що обертається, нестійкостей. Основним чинником, що призводить до плазмових нестійкостей, є відносний рух компонент плазми, обумовлений наявністю відцентрової сили і градієнта тиску, що значно знижує сепараційний ефект.

Відомо про пристрій для розділення заряджених частинок за масою, в якому використовується розряд Пеннінга з циліндричними відбивачами. Пристрій містить циліндричну вакуумну камеру, всередині якої встановлені електроди для створення плазми і радіального електричного поля, електромагнітні котушки для створення подовжнього магнітного поля. Напруженість електричного поля і індукція магнітного поля пов'язані співвідношенням:

де q - заряд елемента, що виділяється, Кл;

М - маса елемента, що виділяється, кг;

В_одн - індукція однорідного магнітного поля, Тл;

Е - напруженість електричного поля, В/м;

r - радіус просторової локалізації елемента, що виділяється, м.

При електричному розряді створюється плазма, в якій виникає іонно-циклотронна нестійкість, яка призводить до резонансного прискорення компонента суміші, що виділяється.

Недоліками даного пристрою є низька продуктивність через просторово вузьку область збудження іонно-циклотронних коливань. У цій області різко неоднорідне радіальне електричне поле і спадаюче магнітне поле виводять прискорювані іони з резонансу. До того ж резонансні іони мають різні фази обертання і не всі частинки встигають набрати достатню для виходу на стінку енергію.

Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого винаходу є пристрій для розділення заряджених частинок за масою. Він містить циліндричну вакуумну камеру, обмежену двома торцями. Всередині неї у першому торці розміщено джерело іонів розділюваних частинок, у другому торці колектор для збору легких частинок. Перед ним в поперечній площині концентрично поздовжньої осі камери розташовані кільцеві електроди для створення радіального електричного поля. Камера охоплена електромагнітним засобом у вигляді електромагнітних котушок для створення всередині неї однорідного магнітного поля з напруженістю Н_одн, в області якого розміщено колектор для збору важких частинок.

Наявність схрещених електричного і магнітного полів призводить до обертання плазми, що містить важкі і легкі частинки. Важкі частинки рухаються по траєкторіях великого радіуса і потрапляють на колектор для збору важких частинок. Він являє собою співвісний з вакуумною камерою циліндр, розміри якого підібрані таким чином, щоб збирати тільки важкі частинки. Легкі частинки рухаються по траєкторіях малого радіуса переважно вздовж осі камери і проходять повз колектор для збору важких частинок. Це дозволяє збирати легкі частинки на окремий колектор (колектор для збору легких частинок). Таким чином, легкі частинки відділяються від важких.

Недоліком відомого пристрою є високі втрати речовини, що розділюється. Оскільки джерело іонів розташовано в області однорідного магнітного поля, на іони, що знаходяться ще у джерелі, діють схрещені електричне і магнітне поля. Це призводить до обертання важких і легких іонів. В результаті цього важкі частинки рухаються всередині джерела по траєкторіях більшого радіуса в порівнянні з легкими частинками. При цьому, оскільки радіус джерела іонів малий, важкі частинки бомбардують внутрішню поверхню джерела і вибувають з процесу розділення, що призводить до втрат частинок речовини. Тому для використання всього обсягу речовини необхідно витягувати вибулі частинки, що потрапили на стінку джерела, з метою їх подальшої іонізації, але такий процес досить трудомісткий і вимагає додаткових енерговитрат. Ще одним недоліком відомого пристрою є низька продуктивність через малу площу поперечного перерізу вихідного отвору джерела іонів.

Задачею, на вирішення якої направлений винахід, є удосконалення пристрою для розділення заряджених частинок за масою, яке повинно забезпечити зменшення втрат речовини, що розділяється, підвищення продуктивності. Задача повинна вирішуватися шляхом конструктивних змін пристрою, з використанням властивостей однорідного і неоднорідного магнітних полів.

Поставлена задача вирішується в запропонованому пристрої для розділення заряджених частинок за масою, що містить, як і пристрій, прийнятий за прототип, циліндричну вакуумну камеру, обмежену двома торцями. Всередині неї у першому торці розміщено джерело іонів розділюваних частинок, у другому торці колектор для збору легких частинок. Перед ним в поперечній площині концентрично поздовжньої осі камери розташовані кільцеві електроди для створення радіального електричного поля. Камера охоплена електромагнітним засобом для створення всередині неї однорідного магнітного поля з напруженістю Н_одн, в області якого розміщено колектор для збору важких частинок.

У відповідності з винаходом, в запропонованому пристрої камера складається з двох ділянок, в першій ділянці знаходиться вищезгадане джерело іонів, а друга ділянка охоплена вищезгаданим засобом для створення однорідного магнітного поля, область якого має довжину L_k, яка дорівнює довжині колектора для збору важких частинок, який розташовано вздовж бічної поверхні цієї ділянки. До того ж перша ділянка охоплена додатковим електромагнітним засобом для створення в камері магнітного поля з напруженістю Н, яка зростає від початку першої ділянки камери до величини Н_мак, де розташовано вихідний отвір вищезгаданого джерела іонів, і спадає до величини Н_од_н на початку другої ділянки, відповідно до умови:

де - радіус камери;

- ларморовський радіус важкої частинки в області магнітного поля з напруженістю ;

- радіус вихідного отвору джерела іонів,

при умові, що величина відповідає співвідношенню:

Вищезгадані електромагнітні засоби для створення магнітних полів можуть складатися з однієї або кількох електромагнітних котушок.

Розмір довжини L_k однорідного поля і, відповідно, довжини колектора може складати від 6r₂ до 36r₂, де r₂ - величина ларморовського радіусу важкої частинки в області магнітного поля з напруженістю Н_мак.

Вищезгадані кільцеві електроди розташовані від торця другої ділянки камери на деякій відстані, що не перевищує величину R_k.

В другій ділянці камери в області однорідного магнітного поля для збудження коливань високої частоти може бути розташована антена довжиною не менше L/C, початок якої співпадає з початком колектора для збору важких частинок.

Завдяки тому, що в запропонованому пристрої плазма створюється джерелом іонів, вихідний отвір якого розташований в області напруженості магнітного поля Н_мак, не відбувається втрата заряджених частинок на внутрішній поверхні джерела внаслідок дії на них відцентрової сили. Далі плазма рухається по розбіжних силових лініях магнітного поля в напрямку однорідного магнітного поля, внаслідок чого збільшується площа поперечного перерізу плазмового стовпа. Останнє призводить до підвищення продуктивності. На довжині ділянки однорідного магнітного поля для важких частинок виконується умова (1), що призводить до резонансного прискорення цих частинок в радіальному напрямку і збору їх на колектор для збору важких частинок, який розміщено уздовж бічної поверхні камери. Завдяки тому, що довжина колектора для збору важких частинок дорівнює довжині розташованої над ним ділянки однорідного магнітного поля, а також тому, що в області однорідного магнітного поля знаходиться ВЧ антена, у всьому об'ємі, який займає речовина, її частинки приймають участь в процесі розділення. Тому значно скорочуються її втрати.

Наведена вище умова відносно розташування кільцевих електродів забезпечує оптимальні габарити запропонованого пристрою. В іншому разі не тільки б збільшилися габарити пристрою, а також внаслідок цього збільшилися б енерговитрати для створення плазми з необхідними параметрами. Місце розташування кільцевих електродів не повинно бути біля торця другої ділянки камери тому, що електричне поле всередині камери займає невелику площу поперечного перерізу плазми, що є неефективним для розділення заряджених частинок з точки зору використання об'єму. Якщо встановити кільцеві електроди на відстані більшої за R_k, де густина плазми велика, електроди будуть зазнавати великі теплові навантаження. Це призведе або до їх перегріву і виходу з ладу, або до скорочення терміну їх надійної роботи.

Вибір довжини колектора для збору важких частинок пояснюється тим, що при L_k менше за 6r₂ не всі важкі частинки потраплять на відповідний колектор. Однак робити колектор для збору важких частинок довжиною більш ніж 36r₂ недоцільно, тому що всі важкі частинки на відстані до 36r₂ вже потраплять на колектор.

Суть винаходу пояснюється схемою пристрою, яка зображена на фігурі 1, та розподілом напруженості магнітного поля уздовж осі, який зображено на фігурі 2.

Запропонований пристрій містить (див. фіг. 1) джерело іонів 1 частинок, що розділяються, з вихідним отвором 2, циліндричну вакуумну камеру 3, усередині якої розташовані кільцеві електроди 4, колектор для збору легких частинок 5 і колектор для збору важких частинок 6. Також він містить електромагнітні котушки 7 і 8.

Пристрій працює таким чином. У камері 3 створюють робочий вакуум (10^-3 Тор). Потім вмикають джерело іонів 1. Відбувається іонізація робочої суміші, до складу якої входить, як мінімум, два сорти частинок. Вмикають електромагнітні котушки 7 і 8 для створення в камері магнітного поля (див. фіг.2) з напруженістю Н, яка зростає від початку першої ділянки камери до величини Н_мак що відповідає співвідношенням (2), і (3), і спадає на початку другої ділянки камери до величини, рівної Н_одн. На фіг. 2 z₀ відповідає місцю розташування вихідного отвору 2 джерела іонів 1, z₁ відповідає місцю розташування початку колектора 6 для збору важких частинок. Потім подають напругу на серію кільцевих електродів 4. Це призводить до обертання плазми в схрещених електричному та магнітному полях. Напруженості електричного поля на різних відстанях від осі вибирають згідно з співвідношенням (1).

Оскільки вихідний отвір 2 джерела іонів 1 розташований в області максимальної напруженості магнітного поля, частота обертання плазми і ларморівський радіус іонів в цій області малі, а циклотронна частота обертання іона велика в порівнянні з цими значеннями в області однорідного поля, отже, в області великої напруженості магнітного поля не відбувається розділення суміші за рахунок відцентрової сили. При зменшенні напруженості магнітного поля до ділянки однорідного поля частота обертання плазми збільшується, а циклотронна частота обертання іона зменшується. При досягненні умови (1) відбувається резонансне прискорення заряджених частинок в радіальному напрямку. Отже, заряджені частинки з масою М і зарядом q, що знаходяться на відстані r від повздовжньої осі камери 3, при виконанні зазначеного співвідношення прискорюються в радіальному напрямку і збираються на колекторі для збору важких частинок 6. Легкі частинки, для яких зазначена умова (1) не виконується, не прискорюються подібним чином і проходять всю довжину камери 3 до колектора для збору легких частинок 5. Таким чином, важкі частинки ефективно відділяються від легких. Приклад.

Необхідно виділити ксенон з газової суміші, що складається з ксенону та аргону, в циліндричній камері з радіусом . Ксенон в такій газовій суміші є важкою частинкою, аргон - легкою. При напруженості однорідного магнітного поля 79600 А/м при енергії 10 еВ ларморівський радіус ксенону складає . Радіус джерела іонів, який вираховується з формули (3), дорівнює . Максимальна напруженість магнітного поля вибирається зі співвідношення (2) і становить 111440 А/м. Система з 10 кільцевих електродів розміщена на відстані від торця другої ділянки камери. Довжина колектора для збору важких частинок лежить в діапазоні від 6r₂ до 36r₂ і становить 20 r₂=0,740 м. Напруженості електричного поля на різних відстанях від осі на ділянці однорідного магнітного поля вибрані зі співвідношення(1). Значення наведені в таблиці.

При таких параметрах, як показали експерименти, відбувається прискорення важких заряджених частинок (іонів ксенону) в радіальному напрямку та збір на відповідний колектор для збору важких частинок. Легкі частинки (іони аргону) рухаються переважно уздовж камери до колектору для збору легких частинок.

Таким чином, використання винаходу дозволить в порівнянні з прототипом зменшити втрати речовини, а також підвищити ефективність розділення та виробність пропонованого пристрою.

Джерела інформації:

1. Kaneko О., Sasaki S., Kawashima N. - Plasma Phys., 1978, V.20, p.1167.

2. Авт. свід. СРСР № 714997, 15.10.79. Бюл. № 8.

3. Патент WO 2005/078761 Oct. 4, 2005. Priority: Oct.29, 2005 (прототип).