CN106356276B - 一种同位素电磁分离器用离子源的气化放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种同位素电磁分离器用离子源的气化放电装置，设置在同位素电磁分离器的离子源上，包括弧放电室及与所述弧放电室后部相连的坩埚，设置在所述弧放电室顶部的阴极和灯丝，所述弧放电室、坩埚直接密封连接。传统的同位素电磁分离器用离子源的气化放电装置的气密性较差，导致了离子源内的暗电流的增加、影响了工作物质的蒸汽密度、浪费了昂贵的离子源原料；采用本发明所提供的同位素电磁分离器用离子源的气化放电装置，气密性好，减少了离子源内的暗电流及打火现象，提高了离子源原料的利用率和分离出来的同位素的丰度，延长了同位素电磁分离器的工作时间。

Description

一种同位素电磁分离器用离子源的气化放电装置

技术领域

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种同位素电磁分离器用离子源的气化放电装置。

背景技术

电磁分离方法在同位素分离领域具有不可或缺的地位，电磁分离法是利用能量相同、质量不同的离子在横向磁场中旋转半径不同实现同位素分离的。同位素电磁分离器就是采用电磁分离方法分离得到同位素的设备。待分离的离子束从同位素电磁分离器的离子源中射出，经同位素电磁分离器中的磁场分离，再被接收装置接收，完成同位素的分离工作。

电磁分离方法是获得星载铷钟所需的高丰度的铷同位素、微型镍电池核心材料高丰度的62Ni、高精度碱金属磁力仪核心材料高丰度K等同位素唯一可行的方法,离子源是同位素电磁分离器中的重要部件，用于产生离子束。根据实际应用中流强的大小与离子种类等要求，离子源具有不同的结构。在同位素电磁分离器上我们要求离子束有较强的流强，而且要求元素种类较多。强流离子源往往是等离子体型离子源，通过气体放电产生高浓度的离子。目前，该类型的离子源有空心阴极离子源、电子回旋共振离子源、Nielsen离子源、Calutron离子源、Freeman离子源等。对于180°同位素电磁分离器，离子源必须放置在磁场中。其中磁力线与离子束引出方向垂直，并且要求能散度低。综合这些考虑，只有Calutron离子源比较适合180°同位素电磁分离器。一直以来，同位素电磁分离器使用的离子源为Calutron型，早期用于分离铀235，后用于分离其他同位素。

Calutron型离子源能产生大部分元素的离子，束流大，聚焦好，能在强电磁场、高真空、高温度、带电离子轰击和腐蚀气体包围下，可靠长期进行。美国与俄罗斯是电磁同位素分离大国，最早使用电磁分离法分离同位素，因此，他们所使用的电磁分离器型离子源代表了先进的水平。

我们自行设计制造的同位素电磁分离器用离子源在结构上与美国和俄罗斯的离子源也有所不同，本发明中的离子源用于强流离子束的产生。在Calutron离子源中，坩埚和弧放电室是离子源的气化放电装置，固态原料在坩埚中被加热气化成饱和蒸汽，通过分配板后进入到弧放电室，被电子束电离成等离子状态并引出形成离子束。

离子源设置在同位素电磁分离器的真空室中，在离子源的工作中，气化放电装置的气密性是非常重要的一个特性。当气密性不好时，往往会造成很多问题。首先，气密性差会造成离子源内局部真空度下降，严重时可比真空室内低10-100倍。伴随的现象是出现打火与暗电流。打火现象与暗电流对离子源的性能及束流品质有不可忽视的影响。其次，气密性的好坏直接影响离子源的流强。Calutron离子源提高流强的办法主要是增加供气量使放电更加充分。如果离子源气密性不好，增加供气量对提高流强的作用会被大大减弱。再次，气密性差将大大增加离子源、真空室的污染程度，增加离子源与真空室的清洗频率，提高成本。并且，离子源的原料贵重，较差的气密性将造成较大的浪费及相关成本的升高。早期的同位素电磁分离器上，所采用的传统的坩埚与弧放电室之间通过一个转接头连接，如图10所示。传统的弧放电室采用的是扣式结构。实践发现，传统的坩埚与弧放电室的连接方式以及弧放电室的扣式结构对离子源的气密性有影响。传统的坩埚与弧放电室的转接头口径小，而内螺纹口径大。较小的转接头口径使得供气有明显的气阻，而较大的内螺纹口径具有较大的漏气缝隙。传统的弧放电室(扣式弧室)是两部分组成，长时间工作下，弧放电室受热不均匀等问题造成弧放电室膨胀不一，出现缝隙降低离子源的气密性。这些问题导致了离子源内的暗电流的增加、影响了工作物质的蒸汽密度、浪费了昂贵的离子源原料，同时导致离子源受污染程度上升，清洗频率增加，增加了使用成本。

针对上述问题，有必要设计气密性更好的离子源用气化放电装置，提高同位素电磁分离器的工作效率。

发明内容

针对早期的同位素电磁分离器的离子源所存在的问题，本发明的目的是提供一种用于离子源的、气密性好、并能保证离子源(Calutron型)长期稳定运行的气化放电装置，实现同位素电磁分离器的同位素的稳定分离，保证同位素的丰度。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种同位素电磁分离器用离子源的气化放电装置，设置在同位素电磁分离器的离子源上，其中，包括弧放电室及与所述弧放电室后部相连的坩埚，设置在所述弧放电室顶部的阴极和灯丝，所述弧放电室、坩埚直接密封连接。

进一步，所述弧放电室包括设置在所述弧放电室后部、通过坩埚接口与所述坩埚连通的蒸汽分配室，设置在所述坩埚接口上的船形板，还包括通过蒸汽分配板与所述蒸汽分配室相隔离的放电室，所述放电室顶端设置有电子窗；所述阴极靠近所述电子窗，所述电子窗距离所述放电室的边缘为0.5mm，所述阴极包括直热式阴极和间热式阴极两种，所述直热式阴极寿命大于24小时；所述弧放电室、坩埚之间的密封为端面密封。

进一步，所述蒸汽分配板通过设置在所述蒸汽分配室与所述放电室之间的分配板插槽设置在所述弧放电室内部。

更进一步，所述分配板插槽为3mm深的60°燕尾槽。

进一步，所述电子窗通过所述放电室顶端的电子窗插槽设置在所述放电室上。

更进一步，所述电子窗插槽为3mm深的60°燕尾槽。

进一步，所述放电室上还能够设置所述离子源的引出缝电极，所述引出缝电极设置在引出缝面板上，所述引出缝面板设置在所述放电室前部。

进一步，所述引出缝面板通过设置在所述放电室前部的引出缝面板插槽设置在所述放电室前部。

更进一步，所述引出缝面板插槽为3mm深的60°燕尾槽。

进一步，所述弧放电室、坩埚采用高纯石墨或不锈钢制作。

本发明的有益效果在于：

本发明通过对弧放电室与坩埚接口及引出缝的气密性设计，提高气密性，使得暗电流减小(小于10mA左右，传统的弧放电室与坩埚中为20mA左右)，离子源的打火频次下降，引出的离子束流的流强增大，减少了离子源的受污染程度和离子源的清洗频率，节约了宝贵的离子源原料，提高离子源原料的利用率(原料的使用时间提高2％-5％)，保证了离子源长时间稳定工作。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述离子源的结构侧视图；

图2是本发明具体实施方式中所述离子源的结构俯视图；

图3是本发明具体实施方式中所述弧放电室与所述坩埚的连接示意图

图4是本发明具体实施方式中所述弧放电室与所述坩埚的连接结构剖视图；

图5是本发明具体实施方式中所述弧放电室的俯视剖视图；

图6是本发明具体实施方式中所述坩埚的示意图；

图7是本发明具体实施方式中所述弧放电室的前视图；

图8是本发明具体实施方式中所述弧放电室的B-B剖视图；

图9是本发明具体实施方式中所述弧放电室的C向视图；

图10是本发明背景技术中所述传统坩埚的示意图；

图中：1-接地电极，2-聚焦电极，3-引出缝电极，4-灯丝，5-阴极，6-电子窗，7-蒸汽分配室，8-坩埚，9-热反射屏，10-坩埚加热炉筒，11-第三引出缝，12-第二引出缝，13-第一引出缝，14-放电室，15-弧放电室，16-坩埚口密封细螺纹，17-前端绝缘环安装螺纹，18-装料室，19-尾端绝缘环安装螺纹，20-电子窗插槽，21-引出缝面板插槽，22-分配板插槽，23-坩埚接口，24-船形板，25-固定座，26-螺钉，27-坩埚前端绝缘环，28-坩埚尾端绝缘环，29-供电接头，30-蒸汽分配板，31-转接头，32-引出缝面板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

离子源作为产生离子束流的装置，如图1、图2所示，其工作原理为：RbC1装在坩埚8中，经坩埚加热炉筒10加热气化后，通过蒸汽分配室7(即船形板)和蒸汽分配板30进入放电室14的放电区；加热的灯丝4发射电子轰击阴极5，阴极5发射的电子被电场加速和磁场约束，穿过电子窗6进入放电室14并与RbC1的气体分子发生碰撞电离，形成弧放电等离子体；弧放电等离子体经引出电极系统引出，形成具有一定能量和形状的离子束。

如图3、图4所示，本发明提供的一种同位素电磁分离器用离子源的气化放电装置包括弧放电室15(弧放电室15是一个整体的凹槽)，以及与弧放电室15后部相连的坩埚8，设置在弧放电室15一侧的阴极5和灯丝4，其中弧放电室15、坩埚8直接密封连接(两者之间采用端面密封)。与传统的坩埚需要转接头31连接的方式相比(见图10)，坩埚8与弧放电室15直接连接，增强了坩埚8与弧放电室15之间的气密性，供气的气阻降低，能够保持坩埚8中的工作物质(即离子源原料)的蒸汽密度，保证了后续产生的等离子体的浓度。在本实施例中，弧放电室15的外形尺寸为36mm×41mm×220mm；坩埚8的安装口(与弧放电室15的连接部分)内径Φ18mm，外径M24mm，有长8mm的外螺纹，安装口的总长为10mm；坩埚8内部的装料室18的容积能够保证同位素电磁分离器一次工作100h左右。

如图4、图5、图7、图8所示，弧放电室15包括设置在弧放电室15后部、通过坩埚接口23与坩埚8连通的蒸汽分配室7，设置在坩埚接口23上的船形板24，还包括通过蒸汽分配板30与蒸汽分配室7相隔离的放电室14，还包括设置在弧放电室15后部、与放电室14连通的引出电极，放电室14顶端设置有电子窗6，阴极5靠近电子窗6，电子窗6距离放电室14的边缘为0.5mm，阴极5包括直热式阴极和间热式阴极两种，其中直热式阴极寿命大于24小时。在本实施例中，弧放电室15与坩埚8的坩埚接口23为直径24mm的细螺纹口，深13mm；放电室14尺寸为20mm×8mm×212mm。

如图4、图5、图8、图9所示，蒸汽分配板30通过设置在蒸汽分配室7与放电室14之间的分配板插槽22设置在弧放电室15内部(即蒸汽分配板30安装在分配板插槽22中)；并将蒸汽分配室7与放电室14隔开。蒸汽分配板30和船形板24的作用是使进入放电室14的气体分子在纵向上均匀分布，使弧放电等离子体在纵向上均匀分布。分配板插槽22为3mm深的燕尾槽。

如图1、图2所示，离子源上设有用于引出离子束的引出电极，引出电极为三电极结构，第一电极为引出缝电极3，第二电极为聚焦电极2，第三电极为接地电极1，这三个电极从放电室14向外按照“引出缝电极3、聚焦电极2、接地电极1”的顺序依次设置；每个电极上都设有相应的引出缝，以便离子束流的引出。其中，如图4、图5、图7、图8、图9所示，引出缝电极3设置在引出缝面板32上，引出缝面板32通过设置在放电室14前部的引出缝面板插槽21设置在放电室14上。引出缝面板插槽21为3mm深的燕尾槽。在本实施例中，引出缝面板32宽28mm，厚3mm，长度为217mm。

如图4、图7、图8、图9所示，电子窗6通过放电室14顶端的电子窗插槽20设置在放电室14上，电子窗插槽20为深3mm的60°燕尾槽。

如图4、图5、图8所示，传统的弧放电室采用扣押式密封形式，放电室和蒸汽分配室是两个部分，本发明所提供的弧放电室15采用插板(配合插槽)的方式，将放电室14和蒸汽分配室7制成一个整体，提高了弧放电室15的气密性，减少了暗电流的产生，

如图6所示，在本实施例中，坩埚8为圆筒状，前端和尾端均设有M30的外螺纹(分别为前端绝缘环安装螺纹17、尾端绝缘环安装螺纹19)，螺纹长15mm-16mm，用于安装作为绝缘支撑的陶瓷套筒。

弧放电室15、坩埚8采用高纯石墨或不锈钢制作。坩埚加热炉筒10采用不锈钢材料制作时，是由两层不锈钢薄壁(0.1～0.2mm厚)圆筒焊接成。上述部件采用不锈钢制作的优点是寿命长，但加工困难、造价高，因此在本实施例中，均采用高纯石墨制作，其中坩埚8工作温度不低于800℃，加热功率为200A×20V。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (10)

1.一种同位素电磁分离器用离子源的气化放电装置，设置在同位素电磁分离器的离子源上，其特征是：包括弧放电室(15)及与所述弧放电室(15)后部相连的坩埚(8)，设置在所述弧放电室(15)顶部的阴极(5)和灯丝(4)，所述弧放电室(15)、坩埚(8)直接密封连接；所述弧放电室(15)包括设置在所述弧放电室(15)后部、通过坩埚接口(23)与所述坩埚(8)连通的蒸汽分配室(7)，设置在所述坩埚接口(23)上的船形板(24)，还包括通过蒸汽分配板(30)与所述蒸汽分配室(7)相隔离的放电室(14)，所述放电室(14)顶端设置有电子窗(6)；所述阴极(5)靠近所述电子窗(6)。

2.如权利要求1所述的气化放电装置，其特征是：所述电子窗(6)距离所述放电室(14)的边缘为0.5mm，所述阴极(5)包括直热式阴极和间热式阴极两种，所述直热式阴极寿命大于24小时；所述弧放电室(15)、坩埚(8)之间的密封为端面密封。

3.如权利要求1所述的气化放电装置，其特征是：所述蒸汽分配板(30)通过设置在所述蒸汽分配室(7)与所述放电室(14)之间的分配板插槽(22)设置在所述弧放电室(15)内部。

4.如权利要求3所述的气化放电装置，其特征是：所述分配板插槽(22)为3mm深的60°燕尾槽。

5.如权利要求1所述的气化放电装置，其特征是：所述电子窗(6)通过所述放电室(14)顶端的电子窗插槽(20)设置在所述放电室(14)上。

6.如权利要求5所述的气化放电装置，其特征是：所述电子窗插槽(20)为3mm深的60°燕尾槽。

7.如权利要求1所述的气化放电装置，其特征是：所述放电室(14)上还能够设置所述离子源的引出缝电极(3)，所述引出缝电极(3)设置在引出缝面板(32)上，所述引出缝面板(32)设置在所述放电室(14)前部。

8.如权利要求7所述的气化放电装置，其特征是：所述引出缝面板(32)通过设置在所述放电室(14)前部的引出缝面板插槽(21)设置在所述放电室(14)前部。

9.如权利要求8所述的气化放电装置，其特征是：所述引出缝面板插槽(21)为3mm深的60°燕尾槽。

10.如权利要求1所述的气化放电装置，其特征是：所述弧放电室(15)、坩埚(8)采用高纯石墨或不锈钢制作。