CN110767527A - 汞同位素电磁分离器的隔热装置及汞同位素电磁分离器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汞同位素电磁分离器的隔热装置，汞同位素电磁分离器的离子源包括弧放电室以及坩埚，其中，隔热装置设置于弧放电室和坩埚之间，弧放电室与隔热装置密封连接，坩埚与隔热装置密封连接，坩埚中的蒸气经隔热装置流通进入弧放电室；还提供具有该隔热装置的汞同位素电磁分离器。本发明隔热装置，通过控制坩埚内温度稳定，从而抑制温度变化对坩埚内待测样品出气量的影响，实现精确控制坩埚出气量，从而实现高丰度汞同位素的分离。

Description

汞同位素电磁分离器的隔热装置及汞同位素电磁分离器

技术领域

本发明的实施例涉及同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种汞同位素电磁分离器的隔热装置及汞同位素电磁分离器。

背景技术

汞同位素常用于核反应堆、物理、医学、环境等研究领域中，目前用于分离汞同位素的方法包括电磁分离法、光化学方法、选择性共振电离方法等，其中，电磁分离法以一次分离系数高的特点备受关注。在运用电磁分离法分离同位素时，离子源中待测样品的出气量是影响同位素丰度的关键因素，例如对于汞元素，饱和蒸气压高，其出气量较大，对温度敏感度高，控制其合适的出气量对汞同位素的丰度具有重要的影响。

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。其中，弧放电离子源广泛应用于同位素电磁分离器中，其涉及用热阴极发射出来的电子，在加速电场的作用下获得高能量，然后和放电室中的气体原子相碰撞，使气体电离形成等离子体的过程。离子源通常置于真空系统中。弧放电室和坩埚是离子源的关键部件，待测元素的原料被置于坩埚中，经加热形成蒸气，然后进入弧放电室中，进一步在电子电离作用下被离子化。其中，传统的弧放电室和坩埚为直接连接的结构，这样设计容易造成弧放电室和坩埚之间发生热量传递(弧放电室温度较高，容易将热量传递到坩埚)，从而影响坩埚中待分离元素蒸气的出气量，进而影响汞同位素的丰度。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种汞同位素电磁分离器的隔热装置，通过改变弧放电室和坩埚之间直接连接的结构来阻断两者之间进行热量交换，从而抑制弧放电室的温度传递对坩埚本身温度的影响，以此来严格控制坩埚内汞原料样品的出气量，从而提高分离汞同位素的丰度。

根据本发明的一个方面，提供一种汞同位素电磁分离器的隔热装置，所述汞同位素电磁分离器的离子源包括弧放电室以及坩埚，其中，所述隔热装置设置于弧放电室和坩埚之间，所述弧放电室与所述隔热装置密封连接，所述坩埚与所述隔热装置密封连接，所述坩埚中的蒸气经所述隔热装置流通进入所述弧放电室。

进一步地，所述隔热装置包括两个接口，所述接口分别与所述弧放电室以及所述坩埚气体流通的密封连接。

进一步地，在所述隔热装置与所述弧放电室以及所述坩埚的连接方向相垂直的方向上，所述隔热装置的截面长度小于所述弧放电室的截面长度以及所述隔热装置的截面长度大于所述坩埚的截面长度。

进一步地，所述隔热装置还包括：形成中空腔室的外壁；冷却装置和温度传感器，其中，所述冷却装置和温度传感器布置在所述外壁上；当所述温度传感器测量温度高于坩埚内温度时，所述冷却装置启动，直至所述温度传感器测量温度不高于所述坩埚内温度时，所述冷却装置停止工作。

进一步地，所述冷却装置为水冷管，多个所述水冷管之间间隔分布，靠近所述坩埚一端的水冷管之间的间隔大于靠近所述弧放电室一端的水冷管之间的间隔。

进一步地，所述温度传感器布置于靠近所述坩埚处的所述外壁上。

根据本发明实施方式的隔热装置，其设置于弧放电室和坩埚之间，阻隔了弧放电室热量向坩埚的转移，使坩埚内的温度更加稳定，因而抑制了温度变化对坩埚出气量的影响，有利于精确控制坩埚出气量，实现高丰度汞同位素的分离。

根据本发明的第二个方面，还提供一种汞同位素电磁分离器，其中，所述汞同位素电磁分离器包括：离子源以及真空室，所述离子源设置在所述真空室内的磁场中；所述离子源包括弧放电室、坩埚以及隔热装置，所述隔热装置设置于所述坩埚与所述弧放电室之间。

根据本发明实施方式的汞同位素电磁分离器，为分离高丰度汞同位素提供了易于精确控制的保障。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果中的至少一个：

(1)本发明实施方式的隔热装置，结构简单，用于阻隔弧放电室内热量向坩埚的转移，实现对温度的精确控制；

(2)本发明实施方式的隔热装置，通过控制坩埚内温度稳定，从而抑制温度变化对坩埚出气量的影响，实现精确控制坩埚出气量，以及高丰度汞同位素的分离；

(3)本发明实施方式的汞同位素电磁分离器，通过设置隔热装置，优化了离子源气化放电装置，为分离高丰度汞同位素提供了易于精确控制的保障。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为根据本发明示例性实施例的汞同位素电磁分离器的离子源的结构示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

常见的同位素电磁分离器中用于离子束产生的装置结构中，坩埚和弧放电室是离子源的气化和放电装置，固态原料在坩埚中被加热气化，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。其中，弧放电室和坩埚之间直接通过螺栓等密封连接，当弧放电室和坩埚之间存在温度差时，极易发生温度传递，而温度则是影响坩埚中待测样品出气量的主要因素之一，在这种情况下，坩埚内的温度难以稳定在预期的范围内，尤其对汞蒸气而言，对温度敏感度较高，当坩埚内温度难以控制时，汞蒸气出气量也将受到影响。

为控制坩埚内温度不受弧放电室热量传递的影响，根据本发明实施例的汞同位素电磁分离器的隔热装置，参考图1，汞同位素电磁分离器的离子源包括弧放电室10以及坩埚20，其中，隔热装置30设置于弧放电室10和坩埚20之间，弧放电室10与隔热装置30密封连接，并且坩埚20与隔热装置30密封连接；坩埚20中的蒸气经隔热装置30流通进入弧放电室10。

为阻隔弧放电室温度向坩埚的转移，在弧放电室10以及坩埚20之间设置隔热装置30，即将弧放电室10温度向坩埚20的转移转变为弧放电室10温度向隔热装置30的转移，参考图1中箭头指示的方向，即为温度传递的方向，当弧放电室10连接隔热装置30时，弧放电室10内较高的温度经热量传递到达隔热装置30，只要隔热装置30满足一定范围内降温的需求，热量传递将在此阻断，而不发生热量向坩埚20传递的情况；其中，各组件之间连接的密封性是必要条件也是前提条件，气密性差不仅会增加离子源、真空室等电磁分离器结构的污染程度，以及增加污染后清洗工序的工作量，更重要的是，待测样品气体容易发生泄漏，不仅造成原料资源的浪费，使样品元素的丰度也难以达到要求；由此，对于从弧放电室10到隔热装置30再到坩埚20，两两结构之间的连接必须确保密封性良好，连接方式例如可以采用螺纹连接、焊接等方式，只要能够满足密封连接；同时地，弧放电室10、隔热装置30和坩埚20之间形成连通的通道，确保坩埚20中的蒸气能够经隔热装置30流通进入弧放电室10中，从而进行后续的电离工序。

进一步地，参考图1，隔热装置30包括两个接口301和302，接口301和接口302分别与弧放电室10以及坩埚20形成气体流通的密封连接。

具体地，与传统的坩埚与弧放电室之间采用转接头进行连接的方式相比，本发明实施例的隔热装置30与弧放电室10、以及隔热装置30与坩埚20之间的连接采用直接连接的方式(端面密封)，隔热装置30具有接口301和接口302，例如对于接口301与弧放电室10之间的连接，可以根据两者的尺寸要求，接口301上设置外螺纹，弧放电室10与之相配合地设置外螺母，由此实现隔热装置30与弧放电室10的连接；这样设计不仅能够保证密封性良好，降低供气气阻，保持待测样品的蒸气密度以保证后续电离产生的等离子体的浓度，还简化了安装工序，易于拆卸；同样地，对于接口302与坩埚20之间的连接，也可采用相同的方式；基于隔热装置30与弧放电室10、以及隔热装置30与坩埚20之间的端面连接，使得其相互之间内部形成气体流通通道，从而使得待测样品蒸气从坩埚20流通进入隔热装置30再进入弧放电室10，气体流通过程中阻力变化小，不会影响气体传输的效率。

参考图1，在一些实施例中，在隔热装置30与弧放电室10以及坩埚20的连接方向相垂直的方向上(即图1中与箭头指向相垂直的方向)，隔热装置30的截面长度小于弧放电室10的截面长度以及隔热装置30的截面长度大于坩埚20的截面长度。

为确保隔热效果，隔热装置30的内部空间大小需要满足一定的要求，例如当隔热装置30的内部空间较小时，由弧放电室10传递的热量足以使得隔热装置30的温度升高，并高于坩埚的温度，此时隔热装置30将热量继续传递至坩埚20，由此便难以实现使坩埚20内温度稳定的目的；可以理解的是，将隔热装置30设置于弧放电室10与坩埚20之间，隔热装置30的尺寸设计需要一定程度上依赖弧放电室10和坩埚20的结构，即使得三者之间既能够相互连接相互配合，又能够实现保持坩埚20内温度稳定的效果；基于隔热装置30的接口301与弧放电室10连接时弧放电室10具有的外螺母的机械约束，如图1所述，在与隔热装置30和弧放电室10连接方向相垂直的方向上，将隔热装置30的截面长度尺寸设计为小于弧放电室10在此方向上的截面长度；同时地，为有效阻隔隔热装置30内热量继续向坩埚20内转移，在与隔热装置30和坩埚20连接方向相垂直的方向上，隔热装置30的截面长度尺寸同时应满足大于坩埚20在此方向上的截面长度，由此，隔热装置30具有一定的内部空间，能够满足温度在此空间内达到衰减的效果；对于隔热装置30的形状设计，例如可以是正方体、长方体等形状，能够满足其具有接口，并与弧放电室10、坩埚20密封连接。

参考图1，在一些实施例中，隔热装置30还包括：形成中空腔室的外壁303；冷却装置以及温度传感器，其中，冷却装置和温度传感器布置在外壁303上；当温度传感器测量温度高于坩埚20内温度时，冷却装置启动，直至温度传感器测量温度不高于坩埚20内温度时，冷却装置停止工作。

在实际情况中，当由弧放电室10传递的热量到达隔热装置30，尤其当热量持续传递，隔热装置30内温度升高较快时，在此情况下，仅依靠隔热装置30在自然状态下降温，不仅时间成本高，也难以阻断热量继续向坩埚20传递；由此，可以根据实际情况需要，在隔热装置30外设置冷却装置，从而辅助隔热装置30进行快速降温。

如图1所示，隔热装置30为具有一定内部空间的腔室，外壁303通过闭合结构即形成了该腔室；为加强隔热效果，可以在外壁303上设置冷却装置，例如在外壁303上设计支撑结构，用来支撑冷却装置，或者将冷却装置通过焊接等方式固定在外壁303上；可以理解的是，为了实时监测隔热装置30内的温度，可以在外壁303上同时设置温度传感器，该温度传感器随时测量隔热装置30内温度，当温度高于坩埚20内温度时，冷却装置启动，加强制冷效果，使得隔热装置30内加速降温，直至温度传感器测量的温度不高于坩埚20内温度时，冷却装置暂停工作，如此温度传感器和冷却装置配合循环使用，确保隔热装置30内温度保持在与坩埚20内温度接近的状态，从而避免两者之间发生热量交换。

参考图1，进一步地，冷却装置为水冷管304，多个水冷管304之间间隔分布，靠近坩埚20一端的水冷管304之间的间隔大于靠近弧放电室10一端的水冷管304之间的间隔。

具体地，水冷管304可以通过焊接等方式固定在外壁303上，例如在外壁3031和外壁3032上，多个水冷管304之间间隔布置，在靠近弧放电室10一端，为了加强制冷效果，相邻两个水冷管304之间的间隔可以较小，使得水冷管304之间紧密排列布置，而在靠近坩埚20一端，为了避免制冷对坩埚20本身需要对待测样品加热造成影响，相邻两个水冷管304之间的间隔可以较大，使得水冷管304之间稀疏排列布置，由此实现既能够使隔热装置30有效降温同时不影响坩埚20对原料(即待测样品)加热的效果。

进一步地，温度传感器布置于靠近坩埚20处的外壁303上，例如，温度传感器和水冷管304可以在外壁303上形成闭环布置，使得温度传感器和水冷管304有效配合使用，提高对温度的控制效率和精度；温度传感器的数量和布置方式可以根据实际情况而定，例如，多个温度传感器可以在靠近坩埚20处的外壁303上均匀布置。

在实际情况中，当温度传感器测量隔热装置30内温度高于坩埚20内温度时，水冷管304内不断通入冷水以带走热量，如此循环降温，直至温度传感器测量的温度不高于坩埚20内温度时，水冷管304内停止通水，此时，隔热装置30内温度与坩埚20内温度接近，两者之间不发生热量交换。

在坩埚对待测样品进行加热时，例如将汞加热成饱和蒸气，具有一定的温度设定，由此布置在坩埚附近的温度传感器可以依据此温度，配合使用冷却装置，使得隔热装置内的温度控制在接近此温度的范围内，从而实现对温度的精确控制，确保隔热效果。

当坩埚内保持稳定的温度，从而能够精确地控制坩埚中样品蒸气的出气量，有利于高丰度汞同位素的分离。

根据本发明的实施例，还提供一种汞同位素电磁分离器，参考图1，汞同位素电磁分离器包括：离子源以及真空室，离子源设置在真空室内的磁场中；离子源包括弧放电室10、坩埚20以及隔热装置30，隔热装置30设置于坩埚20与弧放电室10之间。

在传统的离子源结构中，弧放电室和坩埚直接连接，弧放电室内较高的温度容易使得弧放电室和坩埚之间发生热量传递，坩埚内温度难以保持在稳定的预设范围内，由此将影响坩埚对原料进行加热并输出加热蒸气的量，以及影响后续放电、待测元素丰度检测等工序的精确控制；因此，通过在弧放电室和坩埚之间设置隔热装置，阻断热量向坩埚传递，优化离子源气化放电装置，从而为分离汞同位素提供了易于精确控制的保障。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种汞同位素电磁分离器的隔热装置，所述汞同位素电磁分离器的离子源包括弧放电室以及坩埚，其中，

所述隔热装置设置于弧放电室和坩埚之间，

所述弧放电室与所述隔热装置密封连接，

所述坩埚与所述隔热装置密封连接，

所述坩埚中的蒸气经所述隔热装置流通进入所述弧放电室。

2.根据权利要求1所述的隔热装置，其中，所述隔热装置包括两个接口，所述接口分别与所述弧放电室以及所述坩埚气体流通的密封连接。

3.根据权利要求2所述的隔热装置，其中，在所述隔热装置与所述弧放电室以及所述坩埚的连接方向相垂直的方向上，所述隔热装置的截面长度小于所述弧放电室的截面长度以及所述隔热装置的截面长度大于所述坩埚的截面长度。

4.根据权利要求1所述的隔热装置，其中，所述隔热装置还包括：

形成中空腔室的外壁；

冷却装置和温度传感器，其中，所述冷却装置和温度传感器布置在所述外壁上；当所述温度传感器测量温度高于坩埚内温度时，所述冷却装置启动，直至所述温度传感器测量温度不高于所述坩埚内温度时，所述冷却装置停止工作。

5.根据权利要求4所述的隔热装置，其中，所述冷却装置为水冷管，多个所述水冷管之间间隔分布，靠近所述坩埚一端的水冷管之间的间隔大于靠近所述弧放电室一端的水冷管之间的间隔。

6.根据权利要求4所述的隔热装置，其中，所述温度传感器布置于靠近所述坩埚处的所述外壁上。

7.一种汞同位素电磁分离器，其中，所述汞同位素电磁分离器包括：离子源以及真空室，所述离子源设置在所述真空室内的磁场中；

所述离子源包括弧放电室、坩埚以及隔热装置，所述隔热装置设置于所述坩埚与所述弧放电室之间。

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