CN112516797A - 一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统及方法，其特征在于，包括静电聚焦透镜和静电加速管；所述静电聚焦透镜固定设置在真空室内，包括第一地电极、中间电极和第二地电极；所述第一地电极、中间电极和第二地电极依次平行间隔设置，用于对从离子源引出的条形束流通过减加速过程进行聚焦；所述静电加速管固定连接所述真空室的出口，包括加速电极和绝缘陶瓷筒；若干所述加速电极平行间隔设置，且两两所述加速电极之间均通过一所述绝缘陶瓷筒连接，所述加速电极用于匹配聚焦后的束流，对聚焦后的束流进行加速，本发明可以广泛应用于离子源技术领域中。

Description

一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统及方法
技术领域
本发明是关于一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统，属于离子源技术领域。
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年代末，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、法国以及中国均建立了相关的电磁同位素分离装置。
传统的电磁分离器中同位素束流从离子源引出后直接进入分离磁铁进行分离，因此，引出束流能量由离子源引出系统高压决定，一般为几十kV。当离子源引出强流离子束时，束流因为空间电荷效应的影响，具有较大的初始发散角，同时在传输过程中由于空间电荷效应的影响，导致束流包络较大，因此，收集盒处同位素束束流斑较大，造成分离磁铁分辨率下降，进一步导致同位素分离纯度下降，同时，较大的束流包络也需要较大的同位素分离磁铁真空盒尺寸，增加了同位素分离系统的建造成本。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够增加分离磁铁分辨率且提高同位素分离纯度的用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统，包括静电聚焦透镜和静电加速管；
所述静电聚焦透镜固定设置在真空室内，包括第一地电极、中间电极和第二地电极；所述第一地电极、中间电极和第二地电极依次平行间隔设置，用于对从离子源引出的条形束流通过减加速过程进行聚焦；
所述静电加速管固定连接所述真空室的出口，包括加速电极和绝缘陶瓷筒；若干所述加速电极平行间隔设置，且两两所述加速电极之间均通过一所述绝缘陶瓷筒连接，所述加速电极用于匹配聚焦后的束流，对聚焦后的束流进行加速。
进一步地，所述静电聚焦透镜还包括支撑架，所述支撑架的顶部固定连接所述真空室的顶部，所述支撑架上依次平行间隔设置所述第一地电极、中间电极和第二地电极。
进一步地，所述支撑架包括横向支撑杆和竖向支撑杆；
两所述横向支撑杆分别固定连接所述第一地电极、中间电极和第二地电极的直线侧一端，每一所述横向支撑杆的中部均固定连接一所述竖向支撑杆的一端，每一所述竖向支撑杆的另一端均固定连接所述真空室顶部的固定法兰。
进一步地，所述静电加速管还包括屏蔽环，每一所述加速电极的弧形侧两端均设置有所述屏蔽环，所述屏蔽环用于降低离子束对所述绝缘陶瓷筒内壁的轰击。
进一步地，所述第一地电极、中间电极、第二地电极和加速电极均采用椭圆跑道型结构。
进一步地，所述横向支撑杆采用绝缘材料。
进一步地，所述第一地电极和第二地电极具有相同的电势，所述中间电极与所述第一地电极和第二地电极之间具有电势差。
一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速方法，包括以下内容：
1)通过真空泵对真空室抽真空；
2)从离子源引出的条形强流离子束通过离子源引出电极进入真空室；
3)条形强流离子束依次通过真空室内的第一地电极、中间电极和第二地电极进行聚焦；
4)聚焦后的束流离开真空室进入静电加速管，通过加速电极进行进一步加速；
5)聚焦加速后的束流进入同位素分离磁铁真空盒进行分离。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明由于设置有静电聚焦透镜和静电加速管，通过静电聚焦透镜对从离子源引出的强流离子束进行预聚焦，减小由于空间电荷效应造成的束流发散，再通过静电加速管对聚焦后的强流离子束进行加速，进一步提高束流的能量，降低同位素束流在传输过程中的空间电荷效应，从而减小同位素分离磁铁真空盒出的同位素束流束斑，增加分离磁铁分辨率，提高同位素分离纯度。
2、由于同位素分离系统中为提高分离磁铁分辨率，离子源一般采用狭缝引出系统，因此引出的束流截面一般为宽度几毫米，高度为几厘米至数十厘米左右的细长条形束流，离子源产生的强流同位素离子束经过静电透镜及加速管聚焦加速后进入分离磁铁，经过偏转分离后被同位素分离磁铁真空盒收集，为对此类束流进行聚焦与加速，本发明中的电极均采用椭圆跑道型结构，可以对剖面为长条形的束流具有更好的聚焦与加速效果，可以减小束流初始散角，增加束流能量，降低空间电荷效应的影响，减小束流包络及传输损失，增加同位素分离磁铁真空盒位置的束流分辨率，减小分离系统的体积，可以广泛应用于离子源技术领域中。
附图说明
图1是本发明系统的使用示意图；
图2是本发明系统中静电聚焦透镜的结构示意图；
图3是本发明系统中静电加速管的剖面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1至图3所示，本发明提供的用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统包括静电聚焦透镜1和静电加速管2。
静电聚焦透镜1固定设置在真空室3内，静电聚焦透镜1包括支撑架11、第一地电极12、中间电极13和第二地电极14，其中，第一地电极12、中间电极13和第二地电极14均可以采用椭圆跑道型(即包括两条直线和两个半圆形弧线)结构。
支撑架11的顶部固定连接真空室3的顶部，支撑架11上从左到右平行间隔设置第一地电极12、中间电极13和第二地电极14，中间电极13为正高压，第一地电极12和第二地电极14为地电位，第一地电极12、中间电极13和第二地电极14用于对从离子源4引出的条形束流通过离子源引出电极5经减加速过程进行聚焦，降低束流的发散角及包络，得到聚焦后的束流。
静电加速管2固定连接真空室3的出口，静电加速管2包括加速电极21、绝缘陶瓷筒22和屏蔽环23，其中，加速电极21可以采用椭圆跑道型(即包括两条直线和两个半圆形弧线)结构。
若干加速电极21平行间隔设置，且两两加速电极21之间均通过一绝缘陶瓷筒22连接，每一加速电极21的弧形侧两端均设置有屏蔽环23，加速电极21用于匹配聚焦后的束流，对聚焦后的束流进行加速。屏蔽环23用于降低离子束对绝缘陶瓷筒22内壁的轰击。
在一个优选的实施例中，支撑架11包括横向支撑杆111和竖向支撑杆112，其中，横向支撑杆111采用绝缘材料，两横向支撑杆111分别固定连接第一地电极12、中间电极13和第二地电极14的直线侧一端，每一横向支撑杆111的中部均固定连接一竖向支撑杆112的一端，每一竖向支撑杆112的另一端均固定连接真空室3顶部的固定法兰31。
在一个优选的实施例中，第一地电极12、中间电极13和第二地电极14均可以采用导电性良好、强度大且易于加工的材料，例如铜、铝、304不锈钢材料等，第一地电极12和第二地电极14具有相同的电势，中间电极13与第一地电极12和第二地电极14之间具有电势差U。
基于上述用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统，本发明还提供一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)通过真空泵6对真空室3抽真空。
2)从离子源4引出的条形强流离子束通过离子源4引出电极进入真空室3。
3)条形强流离子束依次通过真空室3内的第一地电极12、中间电极13和第二地电极14进行聚焦，降低束流的发散角及包络，同时以便被后部的静电加速管2接收与加速，降低束流在静电加速管2内的损失。
4)聚焦后的束流离开真空室3进入静电加速管2，通过加速电极21进行进一步加速，以提高束流能量，减小空间电荷效应的影响。
5)聚焦加速后的束流进入同位素分离磁铁真空盒的入口7进行分离。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统，其特征在于，包括静电聚焦透镜和静电加速管；
所述静电聚焦透镜固定设置在真空室内，包括第一地电极、中间电极和第二地电极；所述第一地电极、中间电极和第二地电极依次平行间隔设置，用于对从离子源引出的条形束流通过减加速过程进行聚焦；
所述静电加速管固定连接所述真空室的出口，包括加速电极和绝缘陶瓷筒；若干所述加速电极平行间隔设置，且两两所述加速电极之间均通过一所述绝缘陶瓷筒连接，所述加速电极用于匹配聚焦后的束流，对聚焦后的束流进行加速。
2.如权利要求1所述的一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统，其特征在于，所述静电聚焦透镜还包括支撑架，所述支撑架的顶部固定连接所述真空室的顶部，所述支撑架上依次平行间隔设置所述第一地电极、中间电极和第二地电极。
3.如权利要求2所述的一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统，其特征在于，所述支撑架包括横向支撑杆和竖向支撑杆；
两所述横向支撑杆分别固定连接所述第一地电极、中间电极和第二地电极的直线侧一端，每一所述横向支撑杆的中部均固定连接一所述竖向支撑杆的一端，每一所述竖向支撑杆的另一端均固定连接所述真空室顶部的固定法兰。
4.如权利要求1所述的一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统，其特征在于，所述静电加速管还包括屏蔽环，每一所述加速电极的弧形侧两端均设置有所述屏蔽环，所述屏蔽环用于降低离子束对所述绝缘陶瓷筒内壁的轰击。
5.如权利要求1所述的一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统，其特征在于，所述第一地电极、中间电极、第二地电极和加速电极均采用椭圆跑道型结构。
6.如权利要求3所述的一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统，其特征在于，所述横向支撑杆采用绝缘材料。
7.如权利要求1至6任一项所述的一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速系统，其特征在于，所述第一地电极和第二地电极具有相同的电势，所述中间电极与所述第一地电极和第二地电极之间具有电势差。
8.一种用于同位素分离系统的静电聚焦和加速方法，其特征在于，包括以下内容：
1)通过真空泵对真空室抽真空；
2)从离子源引出的条形强流离子束通过离子源引出电极进入真空室；
3)条形强流离子束依次通过真空室内的第一地电极、中间电极和第二地电极进行聚焦；
4)聚焦后的束流离开真空室进入静电加速管，通过加速电极进行进一步加速；
5)聚焦加速后的束流进入同位素分离磁铁真空盒进行分离。
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