CN106422775A - 一种用于同位素电磁分离器的接收器 - Google Patents

一种用于同位素电磁分离器的接收器 Download PDF

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Abstract

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种用于同位素电磁分离器的接收器，设置在所述同位素电磁分离器的真空室的真空环境中，包括通过绝缘子设置在框架上的面板、接收口袋，所述面板上设有入射缝，所述入射缝能够通过电磁分离后的同位素的离子束，所述接收口袋能够接收从所述入射缝通过的所述离子束，所述框架设置在能够前后移动的滑动轴上，所述接收口袋、面板能够随所述滑动轴前后移动。采用本发明所提供的接收器，能够精确调节接收口袋、面板与离子束的距离，降低溅射和蒸发对同位素收集的不利影响，提高接收器里收集的同位素的丰度，保证同位素相互沾污小，并能长时间稳定运行。

Description

一种用于同位素电磁分离器的接收器
技术领域
本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种用于同位素电磁分离器的接收器。
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。
接收器是同位素电磁分离器的核心部件之一，用于接收经过离子光学系统后分离的同位素束流。它必须满足保持率高、同位素相互沾污小、可同时收集多种同位素、能够长时间稳定运行等要求。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，他们所使用的接收器代表了先进的水平。我们设计制造的电磁同位素分离器用接收器在结构上与美国和俄罗斯的接收器在结构和尺寸规格上有所不同，本发明中的接收器用于分离后稳定同位素的接收。
发明内容
针对目前同位素电磁分离器的接收器存在的问题，本发明的目的是提供一种能够实现稳定同位素的接收，并保证接收同位素的丰度的本接收器，同时能够实现接收器上接收口袋位置的在线调整，并能够同时接收多种同位素。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于同位素电磁分离器的接收器，设置在所述同位素电磁分离器的真空室的真空环境中，包括通过绝缘子设置在框架上的面板，所述面板上设有入射缝，所述入射缝能够通过电磁分离后的同位素的离子束，其中，还包括设置在所述框架上的接收口袋，所述接收口袋能够接收从所述入射缝通过的所述离子束；所述框架设置在能够前后移动的滑动轴上，所述接收口袋、面板能够随所述滑动轴后移动。
进一步，所述入射缝不止一个；根据分离后的所述同位素的离子束的色散和聚焦情况，每个所述入射缝的缝宽各不相同；每个所述入射缝对应一个与所述入射缝的缝宽相匹配的特定厚度的所述接收口袋；相对应的所述入射缝和所述接收口袋能够使得从所述入射缝通过的所述离子束全部进入所述接收口袋中，所述接收口袋能够降低所述离子束的溅射作用，所述接收口袋具有弯曲弧度，所述弯曲弧度的曲率半径为980mm。
进一步，所述滑动轴的滑动控制采用不破坏所述真空环境的远程控制方式，所述框架、滑动轴采用不锈钢制作。
进一步，所述接收口袋设有用于降温的冷却水管，通过水冷降温降低所述离子束的溅射作用。
更进一步，所述面板采用高纯石墨制作，所述接收口袋采用紫铜制作，所述接收口袋能够耐受最大功率为2kW的离子束。
进一步，还设置有水分配柱和与所述水分配柱相连的多个水冷接头，所述水冷接头之间并联，所述水冷接头用于同所述接收口袋上的所述冷却水管相连，为所述接收口袋提供冷却用水。
进一步，所述水分配柱采用绝缘的聚四氟乙烯制作，所述冷却水管采用恒温水冷却。
更进一步，所述水分配柱、水冷接头、冷却水管能够耐0.6MPa水压。
进一步，还包括通过所述绝缘子设置在所述框架上的能够开启闭合的挡门，闭合时能够将所述面板上的所述入射缝挡住，开启时能够允许所述离子束通过所述入射缝。
更进一步，所述面板由高纯石墨制成的，所述挡门采用不破坏所述真空环境的远程控制方式开启闭合。
本发明的有益效果在于：
1.采用电动方式使接收器头部可沿前、后(y)方向移动，在同位素的分离过程中可远程精确调节，更有效地接收分离后的同位素产品，且在移动过程中不破坏真空环境。
2.可以安装接收口袋的横(x)方向空间宽度能够安装多个接收口袋，保证同时接收多种同位素，并且接收口袋均采用水冷，每个接收口袋可耐受最大功率为2kW。
3.满足保持率高，提高接收器里收集的同位素的丰度，保证同位素相互沾污小，并能长时间稳定运行。
4.真空密封性能好，真空度可以达到1～3×10-3Pa，不破坏真空室内的真空环境，保证同位素分离的正常运行。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述用于同位素电磁分离器的接收器的左视图；
图2是本发明具体实施方式中所述用于同位素电磁分离器的接收器的右视图；
图3是本发明具体实施方式中所述面板和所述挡门的连接示意图；
图4是本发明具体实施方式中所述面板的前视图；
图5是本发明具体实施方式中所述面板的侧视图；
图6是本发明具体实施方式中用于接收85Rb的所述接收口袋的示意图；
图7是本发明具体实施方式中用于接收87Rb的所述接收口袋的示意图；
图中：1-接收口袋，2-冷却水管，3-面板，4-滑动螺母，5-传动轴，6-连接法兰，7-第一步进电机，8-丝杠，9-水分配柱，10-传动杆，11-第二步进电机，12-滑动轴，13-水冷接头，14-挡门，15-框架，16-入射缝，17-传动臂。
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。
本发明提供的一种用于同位素电磁分离器的接收器，设置在同位素电磁分离器的真空室的真空环境中，如图1所示，包括通过绝缘子设置在框架15上的面板3、接收口袋1、挡门14。面板3上设有入射缝16，入射缝16能够通过电磁分离后的同位素的离子束，接收口袋1能够接收从入射缝16通过的离子束，挡门14能够开启闭合，闭合时能够将面板3上的入射缝16挡住，开启时能够允许离子束通过入射缝16。用于同位素电磁分离器的接收器通过连接法兰6设置在同位素电磁分离器的真空室的真空环境中，其中，位于连接法兰6的包含框架15的一侧的部件都处于真空室的真空环境中，位于连接法兰6的另一侧的部件都处于非真空环境中。
框架15设置在能够前后移动的滑动轴12上，接收口袋1、面板3、挡门14能够随滑动轴12前后移动。在本实施例中，前后移动的距离为200mm，在移动过程中头部不振动、倾斜、扭转，同时保持同位素电磁分离器的真空室的真空密封。接收器用于同时接收已分离开的多种同位素。对每种同位素，接收的最佳位置是不同的，需要在加工条件许可的情况下尽可能的优化。通过数值计算和实验修正结合的方式，获得与同位素离子束的实际轨迹相符合的计算程序，用于接收器位置的确定。在运行中，由于加速电压、弧放电等参数的变化，同位素的离子束聚焦面的位置也在变化，为更好地接收同位素，需要对接收器的面板和接收口袋的位置进行实时调整(通过框架15的前后滑动，来实现接收口袋1和面板3的位置调整)，来保证接收的同位素的丰度。
滑动轴12的滑动控制采用不破坏真空环境的远程控制方式，框架15、滑动轴12采用不锈钢制作。在本实施例中，采用电动方式实现远程控制，在同位素的分离过程中可以框架15移动的实现精确控制，如图1所示，第一步进电机7控制丝杠8旋转，进而带动滑动轴12前后移动。
面板3(如图3至图5)采用高纯石墨制作，接收口袋1采用紫铜制作，接收口袋1能够耐受最大功率为2kW的离子束的轰击。在本实施例中，面板3采用8mm厚高纯石墨制作，其高×宽为272mm×350mm，可以是一个整片，也可以由2～3块拼接起来，面板3上的入射缝16和接收口袋1的形状要根据理论计算及热力学计算结果，结合所装配使用的同位素电磁分离器的色散和聚焦情况来确定。铷元素的色散和相应入射缝缝口宽度见表1。
根据分离的同位素种类，入射缝16不止一个；根据分离后的同位素的离子束的色散和聚焦情况，每个入射缝16的缝宽各不相同；每个入射缝16对应一个与入射缝16的缝宽相匹配的特定厚度的接收口袋1；相对应的入射缝16和接收口袋1(缝口宽度和接收口袋的形状)能够使得从入射缝16通过的离子束全部进入接收口袋1中，接收口袋1具有一定的弯曲弧度(弯曲弧度的曲率半径为980mm，该弯曲弧度是根据离子束束流截面形状而确定，有利于均匀接收束流、降低同位素蒸发)，并在口袋外侧焊接水冷铜管，有利于束流接收。接收口袋1能够降低离子束的溅射作用，降低同位素的损失(通过水冷降温来抑制溅射作用)。每分离一种元素的同位素，均需重新设计相应的接收口袋1(入射缝16的宽度不需改变，但对于不同的元素，缝与缝的间距需要重新设计)。面板3和接收口袋1都是可以更换的部件。
在本实施例中，面板3上可以安装接收口袋1的横(x)方向空间宽度为250mm；可以安装最多4个接收口袋1(根据接收的同位素，每个接收口袋的具体尺寸有变化)，可以接收最大离子流为≤200mA，承受最大功率为8kW。
溅射是接收器制作和运行中遇到的重要问题。由于同位素电磁分离器内离子束能量为25～35keV，正处于产生最大溅射产额的范围(5～50keV)内，溅射现象严重，由于离子束轰击，使接收口袋1温度升高引起蒸发，因此溅射和蒸发是造成同位素损失和沾污的重要原因。
为了避免因接收口袋1的温度过高造成接收口袋1内已沉积的同位素蒸发损失，接收口袋1需要水冷却，所以接收口袋1设有用于降温的冷却水管2(如图1、图6、图7所示)，冷却水温控制在25℃，并通过水冷降温降低离子束的溅射作用。
本发明提供的用于同位素电磁分离器的接收器设置有水分配柱9(在本实施例中水分配柱9为两个)以及与水分配柱9相连的多个水冷接头13，其中水冷接头13之间相互并联，水冷接头13用于同接收口袋1上的冷却水管2相连，为接收口袋1提供冷却用水。水分配柱9采用绝缘的聚四氟乙烯制作，冷却水管2采用恒温水冷却(在本实施例中，冷却水温控制在25℃)。水分配柱9、水冷接头13、以及接收口袋1上的冷却水管2能够耐0.6MPa水压。在本实施例中，水冷接头13为5组(图1中的6个接头中，其中有一个是进出水管路的封闭头)，水分配柱9的密封可靠，且拆装方便。
挡门14由高纯石墨制成的，挡门14采用不破坏真空环境的远程控制方式开启闭合。在本实施例中，采用电动方式实现远程控制，在不破坏真空情况下可以电动打开、关闭挡门14。如图2所示，在滑动轴12的内部设有传动轴5，传动轴5一端连接在第二步进电机11上(第二步进电机11位于非真空环境中)，传动轴5的另一端连接设置在接收机的框架15上的传动杆10，在框架15上还设置有传动臂17，传动杆10通过传动臂17连接挡门14，第二步进电机11通过传动轴5、传动杆10控制传动臂17运动，档门14在传动臂17的带动下，可以转动50度，进而完成挡门14的开启闭合。
最后举例说明本发明所提供的用于同位素电磁分离器的接收器面板上的入射缝的宽度确定方式。不同的同位素色散关系不一样，接收器的接收口袋的中心距及尺寸是保证同位素束流接收的重要参数。以铷(Rb)为例，根据理论计算，可以得出铷的同位素的色散关系，根据色散及磁场强度，确定接收口袋宽度及口袋位置。由于铷元素有两个同位素(85Rb、87Rb)，在分离过程中，共设计两个接收口袋(分别用于收集同位素85Rb、87Rb，如图6、图7所示)。因此面板3上只需要设置两条不同宽度的入射缝16，并对应两个接收口袋。
现有的同位素电磁分离器的色散近似计算公式如下，取中间质量M0为标准。
M＜M0时 色散d＝ρ×ΔM/M0
M＞M0时 色散
对于同位素电磁分离器ρ＝1700mm，D＝3345.5mm
85Rb、87Rb之色散为d85-87＝39.2mm
如图3-图5所示，面板3上的两条入射缝16的缝口的宽度b1、b2分别取12mm、10mm。
色散是由近似公式给出，上机进行铷同位素分离时，可以判断出d的值，下机后将入射缝16向一侧修扩，直到在分离同位素85Rb、87Rb时，两个接收口袋同时获得最大束流。铷元素的色散和缝口宽度见“表1”。
表1铷元素的色散和缝口宽度
元素 同位素 天然丰度(％) 色散d(mm) 缝口宽度b(mm)
Rb 85Rb 72.15 12
39.2
87Rb 27.85 10
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)

1.一种用于同位素电磁分离器的接收器，设置在所述同位素电磁分离器的真空室的真空环境中，包括通过绝缘子设置在框架(15)上的面板(3)，所述面板(3)上设有入射缝(16)，所述入射缝(16)能够通过电磁分离后的同位素的离子束，其特征是：还包括设置在所述框架(15)上的接收口袋(1)，所述接收口袋(1)能够接收从所述入射缝(16)通过的所述离子束；所述框架(15)设置在能够前后移动的滑动轴(12)上，所述接收口袋(1)、面板(3)能够随所述滑动轴(12)前后移动。
2.如权利要求1所述的接收器，其特征是：所述入射缝(16)不止一个；根据分离后的所述同位素的离子束的色散和聚焦情况，每个所述入射缝(16)的缝宽各不相同；每个所述入射缝(16)对应一个与所述入射缝(16)的缝宽相匹配的特定厚度的所述接收口袋(1)；相对应的所述入射缝(16)和所述接收口袋(1)能够使得从所述入射缝(16)通过的所述离子束全部进入所述接收口袋(1)中，所述接收口袋(1)能够降低所述离子束的溅射作用，所述接收口袋(1)具有弯曲弧度，所述弯曲弧度的曲率半径为980mm。
3.如权利要求1所述的接收器，其特征是：所述滑动轴(12)的滑动控制采用不破坏所述真空环境的远程控制方式，所述框架(15)、滑动轴(12)采用不锈钢制作。
4.如权利要求2所述的接收器，其特征是：所述接收口袋(1)设有用于降温的冷却水管(2)，通过水冷降温降低所述离子束的溅射作用。
5.如权利要求4所述的接收器，其特征是：所述面板(3)采用高纯石墨制作，所述接收口袋(1)采用紫铜制作，所述接收口袋(1)能够耐受最大功率为2kW的离子束。
6.如权利要求1所述的接收器，其特征是：还设置有水分配柱(9)和与所述水分配柱(9)相连的多个水冷接头(13)，所述水冷接头(13)之间并联，所述水冷接头(13)用于同所述接收口袋(1)上的所述冷却水管(2)相连，为所述接收口袋(1)提供冷却用水。
7.如权利要求4所述的接收器，其特征是：所述水分配柱(9)采用绝缘的聚四氟乙烯制作，所述冷却水管(2)采用恒温水冷却。
8.如权利要求7所述的接收器，其特征是：所述水分配柱(9)、水冷接头(13)、冷却水管(2)能够耐0.6MPa水压。
9.如权利要求1所述的接收器，其特征是：还包括通过所述绝缘子设置在所述框架(15)上的能够开启闭合的挡门(14)，闭合时能够将所述面板(3)上的所述入射缝(16)挡住，开启时能够允许所述离子束通过所述入射缝(16)。
10.如权利要求9所述的接收器，其特征是：所述面板(3)由高纯石墨制成的，所述挡门(14)采用不破坏所述真空环境的远程控制方式开启闭合。
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