CN111715074B - 一种能量回收型的同位素电磁分离收集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量回收型的同位素电磁分离收集系统，其包括离子源、静电聚焦系统、静电加速管、180度分离磁铁、真空室、减速电极、同位素收集盒、电源系统和高压平台；所述高压平台上设置有所述电源系统，所述电源系统与所述离子源连接，所述离子源的输出端依次连接所述静电聚焦系统和静电加速管，所述静电加速管的输出端经一所述真空室与所述180度分离磁铁的第一端连接；所述180度分离磁铁的第二端与另一所述真空室的输入端连接，另一所述真空室的输出端通过减速电极与所述同位素收集盒连接。本发明能提高电磁分离器的同位素生产效率，降低同位素电磁分离的成本，同时能够回收部分能量。

Description

一种能量回收型的同位素电磁分离收集系统

技术领域

本发明涉及一种电磁分离系统，特别是关于一种能量回收型的同位素电磁分离收集系统。

背景技术

采用电磁分离法分离生产同位素起源于20世纪30年代，在上世纪40年代的曼哈顿工程中，电磁分离器被用于大规模生产²³⁵U同位素。继美国后，英国，苏联，法国以及我国均建立了相关的电磁同位素分离装置。电磁分离法可以获得高纯度的同位素，同时可以分离元素周期表上的绝大多数同位素，甚至是获得多种高纯度重稳定同位素的唯一可行方法，因此电磁分离法至今仍是稳定同位素分离的重要方法之一。

传统的电磁分离器主要由离子源，收集器，电磁铁，真空系统及相应的辅助设备构成，所使用的离子源一般为Freeman离子源或Calutron离子源，随着产生重金属离子种类的不同，离子源使用寿命一般为几十至几百小时，因此电磁分离器维护频率较高，不利于高纯度同位素生产，增加了运行成本。同时在离子源引出流强较高时，由于空间电荷效应的影响，会降低电磁分离器分辨本领，因此在离子源引出流强较高时，传统的电磁分离器生产分离高纯度同位素由于受到空间电荷效应的限制，同位分离素纯度有所降低。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能量回收型的同位素电磁分离收集系统，其能提高电磁分离器的高纯度同位素生产效率，降低同位素电磁分离的成本。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种能量回收型的同位素电磁分离收集系统，其特征在于包括：高压平台、电源系统、离子源、静电聚焦系统、静电加速管、真空室、分离磁铁、同位素收集盒和减速电极；所述高压平台上设置有所述电源系统，所述电源系统与所述离子源连接，所述离子源的输出端依次连接所述静电聚焦系统和静电加速管，所述静电加速管的输出端经一所述真空室与所述分离磁铁的第一端连接；所述分离磁铁的第二端与另一所述真空室的输入端连接，另一所述真空室的输出端通过所述减速电极与所述同位素收集盒连接。

进一步，所述离子源采用强流2.45GHz ECR离子源。

进一步，所述强流2.45GHz ECR离子源包括微波系统、加热坩埚、放电室、引出系统和第一水冷系统；所述微波系统用于将磁控管产生的微波传输至所述放电室，所述加热坩埚加热产生的蒸汽进入所述放电室后被电离产生等离子体，产生的等离子体经过三电极结构的所述引出系统引出后依次进入所述静电聚焦系统和静电加速管内被聚焦加速；所述第一水冷系统设置在所述放电室内，用于冷却所述放电室内的温度。

进一步，所述引出系统中的三电极为狭缝引出结构。

进一步，所述静电聚焦系统通过第一支架设置在所述高压平台上；另一所述真空室的输出端经第二支架设置在所述高压平台上。

进一步，所述静电聚焦系统采用静电聚焦透镜。

进一步，所述静电聚焦透镜由三个不锈钢电极构成，三个不锈钢电极之间通过绝缘陶瓷支柱连接固定，高压线与中间电极连接。

进一步，所述静电加速管由多个环形加速电极构成，所述环形加速电极之间通过绝缘陶瓷连接成一体。

进一步，所述离子源、静电聚焦系统、静电加速管、减速电极和同位素收集盒均位于同一所述高压平台上，所述高压平台与所述静电加速管及减速电极具有同一电位。

进一步，所述同位素收集盒包括收集盒、第二水冷系统和真空密封系统；所述真空密封系统经绝缘陶瓷筒与另一所述真空室连接，经过所述静电加速管加速后的同位素离子束通过所述180度分离磁铁的偏转分离后，在进入所述收集盒之前经过所述减速电极的减速，使得束流的能量降低至引出能量35keV后被所述收集盒收集；所述收集盒内设置有所述第二水冷系统。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用强流2.45GHz ECR离子源代替传统的Freeman离子源或Calutron离子源，针对不同种类的离子，该离子源相比传统的Freeman源或Calutron源，具有更长的使用寿命，降低了电磁分离系统的维护频率，提高了单位时间的生产效率。2、本发明在束流进入电磁铁之前，对离子源引出束流进行聚焦及加速，提高了离子束在系统中的传输效率以及在收集盒位置的分辨率。3、本发明在完成分离的同位素束流到达收集盒之前再利用同一台高压电源进行一次减速，此时分离的束流能量增加为0，因而实现了高压加速电源的能量回收，分离的离子束在进入收集盒之前利用高压电源加速，降低了空间电荷效应的影响，提高了同位素的分离纯度，又通过减速电极实现了部分能量回收，减小了装置的功耗。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种能量回收型的同位素电磁分离收集系统，其包括高压平台1、电源系统2、离子源3、静电聚焦系统4、静电加速管5、真空室6、分离磁铁7、同位素收集盒8和减速电极9。

高压平台1上设置有电源系统2，电源系统2与离子源3连接，用于为离子源3供电；离子源3的输出端依次连接静电聚焦系统4和静电加速管5，静电加速管5的输出端经一真空室6与180度分离磁铁7的第一端连接。分离磁铁7的第二端与另一真空室6的输入端连接，另一真空室6的输出端通过减速电极9与同位素收集盒8连接。使用时，离子源3产生的离子束经过静电聚焦系统4和静电加速管5聚焦加速后进入180度分离磁铁7，在离子束流进入180度分离磁铁之前对离子束流进行预聚焦及加速，可以有效减小强流同位素离子束的束流损失，提高束流分辨率；同位素离子束在分离磁铁7中完成不同种类同位素离子束的偏转与分离后，经另一真空室6以及减速电极9的减速后进入被同位素收集盒8收集。其中，分离磁铁7采用180度分离磁铁。

在一个优选的实施例中，离子源3采用强流2.45GHz ECR离子源，不同于传统的电磁分离器采用的Freeman源或Calutron源，本发明的强流2.45GHz ECR离子源具有更长的使用寿命，能够降低电磁分离系统的维护频率，有效提高了电磁分离器单位时间的生产效率。

其中，强流2.45GHz ECR离子源包括微波系统、加热坩埚、放电室、引出系统和第一水冷系统。微波系统用于将磁控管产生的微波传输至放电室，加热坩埚加热产生的蒸汽进入放电室后被电离产生等离子体，产生的等离子体经过三电极结构的引出系统引出后依次进入静电聚焦系统4和静电加速管5，进一步被聚焦加速。第一水冷系统设置在放电室内，用于冷却放电室内的温度。在本实施例中，由于引出系统中的三电极为狭缝引出结构，可以增加引出孔面积，提高引出流强。

在一个优选的实施例中，静电聚焦系统4通过第一支架设置在高压平台1上。另一真空室6的输出端经第二支架设置在高压平台1上。

优选的，静电聚焦系统4采用静电聚焦透镜。由于引出系统引出的离子束流强较高，离子束在传输过程中由于空间电荷效应将会损失严重，同时空间电荷效应引起的束流发散还会引起同位素收集盒8位置束流分辨率下降，造成同位素分离纯度下降。因此本发明采用静电聚焦透镜及静电加速管5对引出束流预先进行聚焦与加速，减小束流传输损失，降低空间电荷效应影响，提高收集盒位置束流分辨率。

上述实施例中，静电聚焦透镜由三个不锈钢电极构成，三个不锈钢电极之间通过绝缘陶瓷支柱连接固定，高压线与中间电极连接。静电加速管5由多个环形加速电极构成，环形加速电极之间通过绝缘陶瓷连接成一体。

在一个优选的实施例中，离子源3、静电聚焦系统4、静电加速管5、减速电极9和同位素收集盒8均位于同一高压平台1上，高压平台1与静电加速管5及减速电极9具有同一电位，从而可以在不提高离子源3及同位素收集盒8减速电极所使用的高压电源输出高压的情况下实现对离子束流的有效加速及减速。

其中，由于离子源3预先设置的引出高压约为35kV，静电加速管5预先设置的加速电压约为100kV，因此离子源3引出的离子束无法直接被静电加速管5加速，将离子源3及静电加速管5均放置于高压平台1，使高压平台1与静电加速管5保持同一电位，所以离子源3的引出系统相对于静电加速管5具有了35kV的电势差，因此静电加速管5可以实现对引出束流的进一步加速。

在一个优选的实施例中，同位素收集盒8位于高压平台1上，同位素收集盒8包括收集盒、第二水冷系统和真空密封系统。真空密封系统经绝缘陶瓷筒与另一真空室6连接，经过静电加速管5加速后的同位素离子束通过180度分离磁铁7的偏转分离后，在进入收集盒之前经过减速电极9的减速，使得束流的能量降低至引出能量35keV后被收集盒收集。收集盒内设置有第二水冷系统，用于降低收集盒由于束流轰击造成的温度上升，使得收集盒内的热功率降低，并简化收集盒水冷设计。

综上，本发明采用的离子源3产生的强流同位素离子束经过静电聚焦透镜及静电加速管5聚焦加速后进入180度分离磁铁7，同位素离子束在180度分离磁铁7中经过偏转分离，经过减速电极9减速后被同位素收集盒8收集。本发明的静电焦透镜及静电加速管5可以对离子束流进行聚焦与加速，可以减小束流传输损失，提高收集盒位置束流分辨率。同时本发明采用了强流2.45GHz ECR离子源，在能够引出强流离子束的同时相较于传统的电磁分离器采用的Freeman源或Calutron源，具有更长的使用寿命，提高了电磁分离器单位时间的生产效率。同时通过引入加速电极对引出离子束能量进行进一步加速，降低了空间电荷效应的影响，提高了电磁分离器分离同位素的纯度，并且通过同时采用加速电极与减速电极，实现了部分加速高压电源的能量回收，降低了功耗。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种能量回收型的同位素电磁分离收集系统，其特征在于包括：高压平台、电源系统、离子源、静电聚焦系统、静电加速管、真空室、分离磁铁、同位素收集盒和减速电极；

所述高压平台上设置有所述电源系统，所述电源系统与所述离子源连接，所述离子源的输出端依次连接所述静电聚焦系统和静电加速管，所述静电加速管的输出端经一所述真空室与所述分离磁铁的第一端连接；所述分离磁铁的第二端与另一所述真空室的输入端连接，另一所述真空室的输出端通过所述减速电极与所述同位素收集盒连接；所述分离磁铁采用180度分离磁铁；

所述离子源产生的离子束经过所述静电聚焦系统和所述静电加速管聚焦加速后进入所述180度分离磁铁，在离子束流进入所述180度分离磁铁之前对离子束流进行预聚焦及加速，减小强流同位素离子束的束流损失，提高束流分辨率；同位素离子束在所述180度分离磁铁中完成不同种类同位素离子束的偏转与分离后，经另一所述真空室以及所述减速电极的减速后被所述同位素收集盒收集；

所述离子源采用强流2.45GHz ECR离子源。

2.如权利要求1所述分离收集系统，其特征在于：所述强流2.45GHz ECR离子源包括微波系统、加热坩埚、放电室、引出系统和第一水冷系统；所述微波系统用于将磁控管产生的微波传输至所述放电室，所述加热坩埚加热产生的蒸汽进入所述放电室后被电离产生等离子体，产生的等离子体经过三电极结构的所述引出系统引出后依次进入所述静电聚焦系统和静电加速管内被聚焦加速；所述第一水冷系统设置在所述放电室内，用于冷却所述放电室内的温度。

3.如权利要求2所述分离收集系统，其特征在于：所述引出系统中的三电极为狭缝引出结构。

4.如权利要求1所述分离收集系统，其特征在于：所述静电聚焦系统通过第一支架设置在所述高压平台上；另一所述真空室的输出端经第二支架设置在所述高压平台上。

5.如权利要求1或4所述分离收集系统，其特征在于：所述静电聚焦系统采用静电聚焦透镜。

6.如权利要求5所述分离收集系统，其特征在于：所述静电聚焦透镜由三个不锈钢电极构成，三个不锈钢电极之间通过绝缘陶瓷支柱连接固定，高压线与中间电极连接。

7.如权利要求1或4所述分离收集系统，其特征在于：所述静电加速管由多个环形加速电极构成，所述环形加速电极之间通过绝缘陶瓷连接成一体。

8.如权利要求1所述分离收集系统，其特征在于：所述离子源、静电聚焦系统、静电加速管、减速电极和同位素收集盒均位于同一所述高压平台上，所述高压平台与所述静电加速管及减速电极具有同一电位。

9.如权利要求1所述分离收集系统，其特征在于：所述同位素收集盒包括收集盒、第二水冷系统和真空密封系统；所述真空密封系统经绝缘陶瓷筒与另一所述真空室连接，经过所述静电加速管加速后的同位素离子束通过所述180度分离磁铁的偏转分离后，在进入所述收集盒之前经过所述减速电极的减速，使得束流的能量降低至引出能量35keV后被所述收集盒收集；所述收集盒内设置有所述第二水冷系统。

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