CN114420530A - 一种同位素电磁分离器的一室多源结构 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种同位素电磁分离器的一室多源结构，涉及电磁分离领域，提高电磁法分离高丰度同位素的产能，满足国内各行业对高丰度同位素的需求。该同位素电磁分离器的一室多源结构包括真空室、离子源、驱动场和接收器，其中，真空室用于提供真空环境；离子源，离子源为多个，用于在真空室内发射离子，多个离子源的高压参数不同，以使多个离子源的离子束偏转到同一位置；驱动场，用于驱动离子加速运动和偏转；接收器，用于接收所有离子源引出的，经磁场偏转分离的多种同位素。本申请的同位素电磁分离器的一室多源结构用于分离同位素。

Description

一种同位素电磁分离器的一室多源结构

技术领域

本申请涉及但不限于电磁分离领域，尤其涉及一种同位素电磁分离器的一室多源结构。

背景技术

随着对同位素产能需求的增大，需要同位素分离方法的支撑，常用的同位素分离方法包括气体扩散法、离心法和电磁法等。电磁法相对于其它分离方法通用性好，几乎可以分离元素周期表上所有元素，是获得Rb，Yb等同位素唯一可行的方法，电磁法分离得到的同位素丰度高，可形成高丰度、多种类的同位素分离模式，是目前制备高丰度同位素的最佳选择。

目前，传统的电磁分离系统如图1所示，包括，离子源01、离子束02、真空室03和接收器04，真空室03内只设有一台离子源01设备，离子源01在真空室03发射离子束02，离子束02在驱动场的作用下，在真空室03内进行加速和偏转，最终落在接收离子源01发射离子束02的同位素的接收器04上，图2和图3为使用传统的电磁分离法分离某种同位素的分离结果图，虽然电磁分离法有着通用性好、分离系数高等优点，但缺点是相对于离心法产能有限，比较适用于对产量要求低、丰度要求高的同位素分离。但是其产能难以满足国内同位素应用不断发展的市场需求，只能依赖进口。

为了提高电磁法分离高丰度同位素的产能，满足国内各行业对高丰度同位素的需求，本申请提出了一种同位素电磁分离器的一室多源结构。

发明内容

本申请实施例提供一种同位素电磁分离器的一室多源结构，涉及电磁分离领域，提高电磁法分离高丰度同位素的产能，满足国内各行业对高丰度同位素的需求。

为了达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

本申请提供的一种同位素电磁分离器的一室多源结构，包括：真空室、离子源、驱动场和接收器，其中，真空室用于提供真空环境；离子源，离子源的数量为多个，用于在真空室内发射离子，多个离子源的高压参数不同，以使多个离子源的离子束偏转到同一位置；驱动场，用于驱动离子加速和偏转；接收器，用于接收所有离子源发射的离子的多种同位素。

本申请实施例提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，真空室用于提供真空环境，驱动场驱动离子进行加速和偏转，接收器用于接收所有离子源发射的离子的多种同位素，离子源用于在真空室内发射离子，离子源的数量为多个，多个离子源可在真空室内同时发射离子，多个离子源之间的高压参数不同，离子在驱动场的作用下，在真空室内进行加速和偏转，由于多个离子源之间的高压参数不同，导致多个离子源的离子束可偏转到接收器的同一位置。相关技术中的电磁分离系统，真空室内只设有一台离子源设备，离子源在真空室发射离子，离子在驱动场的作用下，在真空室内进行加速和偏转，最终落在接收离子源发射离子的同位素的接收器上，虽然相关技术中的电磁分离系统可以进行同位素的分离，但由于真空室内只设有一台离子源设备，离子源设备发射的离子有限，导致电磁分离系统分离同位素的效率较低，产能有限，但本申请提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，通过在真空室内设置多个离子源，通过调节多个离子源之间的高压参数，使得多个离子源的离子束在驱动场的作用下进行加速和偏转到达接收器的同一位置，相比相关技术中只设置一台离子源设备的方法，本申请设计原理简单、实验过程简易，不需要改变离子源的复杂结构，只需要在现有电磁分离系统的基础上，再设置多台离子源设备，并对离子源的设备进行调整即可，即，本申请提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，提高电磁分离法分离高丰度同位素的产能，满足国内各行业对高丰度同位素的需求。

在本申请的一种可能的实现方式中，多个离子源伸入真空室内的深度不同，以使多个离子源的离子束的束腰部分位于同一高度。

本申请实施例提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，多个离子源之间的横向位置以及多个离子源之间的高压参数不同，多个离子源发射的离子束可偏转到同一位置，但由于多台离子源之间的横向位置不同，导致多个离子源发射的离子束的束腰部分不在同一高度，根本无法接收分离后的同位素，为了确保多个离子源的离子束的束腰部分位于同一高度，调整多个离子源伸入真空室内的深度，即多个离子源之间的纵向位置。

在本申请的一种可能的实现方式中，多个离子源沿真空室的深度方向间隔设置，位于多个离子源的连线所在直线上。

本申请实施例提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，多个离子源沿真空室的长度方向间隔设置，确保多个离子源在初始位置时只存在一个变量，即多个离子源的横向位置，且多个离子源设置在真空室的一侧，方便同位素分离系统的搭建。

在本申请的一种可能的实现方式中，接收器与多个离子源位于真空室的同一侧。

本申请实施例提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，系统要求将接收器与多个离子源设置在真空室的同一侧，多个离子源在驱动场的作用下在真空室内进行偏转和加速，由于离子的运动轨迹类似于抛物线，所以离子运动轨迹的横向距离为离子源和接收器之间的横向位置，方便确定接收器和多个离子源之间相对位置关系。

在本申请的一种可能的实现方式中，接收器放置在离子源所引出的经过此次偏转的离子束的束腰部分。

本申请实施例提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，接收器的放置位置决定了分离后的同位素的产量以及丰度，为此，将接收器放置在离子源的离子束的束腰部分，对多台离子源设备经过分离后的同位素进行接收，可实现多台离子源设备共同工作且公用一个接收器的分离模式，提高了同位素的产量。

在本申请的一种可能的实现方式中，驱动场包括电场和磁场，电场用于对离子加速，磁场用于使离子偏转。

本申请实施例提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，驱动场为电场和磁场的组合场，在电场的作用下离子进行加速，同时在磁场的作用下使离子发生偏转，离子的运动轨迹类似于抛物线，使得不同同位素质量不同导致其偏转半径不同，用于同位素分离。

在本申请的一种可能的实现方式中，真空室上开设有观察窗，观察窗用于观察接收器处接收到的离子形成的像。

本申请实施例提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，在真空室上可设有观察窗，观测多个离子源各自发射离子的轨迹以及是否偏转到接收器的同一位置，可实时根据多个离子源各自发射离子的轨迹调整同位素电磁分离器的一室多源结构的相关参数，如两个离子源之间的间距，高压参数，以及伸入真空室内的深度等，使其偏转到接收器的同一位置。

附图说明

图1为相关技术中的电磁分离系统的机械机构示意图；

图2为相关技术中的电磁分离方法分离同位素的离子运动轨迹图；

图3为相关技术中的电磁分离方法分离同位素的离子靠近接收器处的放大图；

图4为本申请提供的同位素电磁分离器的一室多源结构的机械机构示意图；

图5为本申请提供的同位素电磁分离器的一室多源结构中调整离子源的高压参数和横向位置后分离同位素的离子运动轨迹图；

图6为本申请提供的同位素电磁分离器的一室多源结构中调整离子源的高压参数和横向位置后分离同位素的离子靠近接收器处的放大图；

图7为本申请提供的同位素电磁分离器的一室多源结构中通过调整离子源的高压参数和横向位置和纵向位置后分离同位素的离子运动轨迹图；

图8为本申请提供的同位素电磁分离器的一室多源结构中通过调整离子源的高压参数和横向位置和纵向位置后分离同位素的离子靠近接收器处的放大图。

附图标记

01-离子源；02-离子；03-真空室；04-接收器；1-离子源；2-离子；21-束腰部分；3-真空室；4-接收器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请的具体技术方案做进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

在本申请实施例中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

此外，在本申请实施例中，“上”、“下”、“左”以及“右”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。

在本申请实施例中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

同位素是质子数相同而中子数不同的核素，随着同位素应用技术的发展，高丰度同位素已广泛应用于国防、计量、航天、工业、农业、生物、医学及科学研究等各个领域。在医学领域，以¹⁷⁶Yb，⁸⁸Sr等同位素为核心前体材料的放射性药物广泛应用于癌症治疗和诊断；在生物领域，放射性同位素揭示了人体内和细胞内理化过程的秘密，阐述生命活动的物质基础起到了极其重要的作用；在军事国防领域，³⁹K、⁸⁷Rb同位素可作为碱金属磁力仪的原材料，且⁸⁵Rb、⁸⁷Rb、¹⁷¹Yb等同位素在卫星导航时频系统中也有着重要的地位，铷钟是目前导航系统中最广泛使用的原子钟，其中，同位素丰度为自然界中存在的某一元素的各种同位素的相对含量，可以表示为原子分数或质量分数。

根据同位素的放射性分类，同位素可分为稳定性同位素和放射性同位素，根据同位素的制造方式分类，同位素可分为天然同位素和人工制造同位素，但不论是稳定性还是放射性同位素，是天然还是人工制造同位素，只要被分离的同位素属于同一元素，这种分离过程都属于同位素分离的范畴。

同一元素的各种同位素由于具有相同的核内质子数和核外电子数，故其化学性质极为相似，分离难度很大，但它们的核内中子数不同，所以，其原子量不同，导致同位素或其分子在热力学性质上的差异，利用同位素间在物理性质核化学性质上的细微差别，可以达到分离的目的。

常用的同位素分离方法有气体扩散法、离心法和电磁法等等，气体扩散法又称孔膜扩散法，孔膜的孔径约为0.01μm～0.03μm，气体扩散法的基本工作原理是根据同位素分子通过孔膜扩散速度的不同来分离同位素，导致轻组同位素聚集在隔膜的一侧，重组同位素聚集在隔膜的另一侧，气体扩散法是分离铀235的主要方法；离心法的基本工作原理是根据质量不同的气体分子在离心场中的平衡分布不同来分离同位素，离心法的分离系数与绝对质量差有关；电磁同位素分离的基本工作原理是离子经过电场加速后进入磁场，由于不同的同位素质量不同，它们的偏转半径也不同。分离的过程是将原料加热汽化，在离子源的放电室内与电子发生碰撞电离，形成等离子体，利用电极系统引出后，形成具有一定能量和形状的离子束，利用磁场实现偏转、质量分离和角聚焦，在接收器的一端可同时获得同一元素的多种同位素。

需要解释说明的是，等离子体是指部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气状物质，等离子体是不同于固体、液体和气体的物质的第四态，而物质由分子构成，分子由原子构成，原子则由带正电的原子核和围绕自身带负电的电子构成。当原子被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，电子离开原子核，这个过程成为电离，这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负电的电子组成，又因为物质中正负电荷的总量相等，因此近似于电中性，所以将其称为等离子体。

相比于气体扩散法，离心法等其它分离方法，电磁分离法通用性好，几乎可以分离元素周期表上所有元素，是获得Rb，Yb等同位素唯一可行的方法，其分离得到的同位素丰度高，可形成高丰度、多种类的同位素分离模式，是目前制备高丰度同位素的最佳选择。

电磁分离法的主要工艺设备是电磁分离系统，电磁分离系统的一个重要的性能参数为分离同位素能力的高低，即最终产品同位素丰度的高低。

本申请提供的一种同位素电磁分离器的一室多源结构，如图4所示，包括：真空室3、离子源1、驱动场和接收器4，其中，真空室3用于提供真空环境；离子源1，离子源1的数量为多个，用于在真空室3内发射离子2，多个离子源1的高压参数不同，以使多个离子源1的离子束2(同位素分离机械机构图中离子与离子束的标号相同)偏转到同一位置；驱动场，用于驱动离子2加速和偏转；接收器4，用于接收所有离子源1发射的离子2的多种同位素。

参照图4，其中，真空室3，用于提供真空环境，离子2在驱动场的作用下，在真空室3内进行加速和偏转，离子2在运动的过程中需要在真空室3内进行的目的是为了避免离子束2与空气分子的碰撞造成损失，一般来说，真空室3的真空度一般位于0.1左右，如大型电磁分离系统的真空室3的体积可到4立方米，则需要用大型真空机组抽至0.1左右。

如图4所示，多个离子源1发射的离子束2在驱动场的作用下，在真空室3内进行加速和偏转，使多个离子源1引出的离子束2偏转到同一位置，在运动过程中，操作人员无法观测到多个离子源1引出的离子束2的运动轨迹，以及是否偏转到同一位置，为此，在真空室3内可设有观察窗，观测多个离子源1各自发射离子2的轨迹以及是否偏转到接收器4的同一位置，可实时根据多个离子源1各自发射离子2的轨迹调整同位素电磁分离器的一室多源结构的相关参数，如两个离子源1之间的间距，高压参数，以及伸入真空室3内的深度等，使其偏转到接收器4的同一位置，同时，也可不断地调节同位素分离系统之间的相关参数，研究相关参数之间的转换关系，以及相关参数对多个离子源1发射离子束2偏转和加速的影响，可为以后的电磁分离同位素打下基础。

需要补充说明的是，如图4所示，在真空室3内设有观察窗，真空室3内首先是全真空的坏境，紧接着存在驱动场，且驱动场为电场和磁场的组合场，因此，对观察窗的材质的要求较高，为此，提供几种特殊材质的真空窗，如氟化钙真空观察窗、氟化钡真空观察窗、硒化锌真空观察窗、氟化镁真空观察窗以及合成石英玻璃真空窗，上述几种特殊材质的真空窗可根据同位素电磁分离器的一室多源结构的实际情况进行选择，也可专门针对同位素电磁分离器的一室多源结构的实际情况特殊设置真空窗，对此，本申请不作限制。

参照图4，而离子源1是用于产生一定能量、一定形状的稳定的强流离子束2，在大型电磁分离系统中强流可达到几百毫安甚至更大，离子源1为磁性弧放电离子源1，需要分离的元素或其化合物放在离子源1的坩埚中，由电炉加热形成蒸汽，蒸汽进入弧室，在等离子体弧放电中变成离子2，离子2在驱动场的作用下进行加速和偏转，加速电压一般到30kv～50kv，此外离子源的类型还有表面电离离子源1、高温离子源1和气体离子源1等，本申请提供的同位素电磁分离器的一室多源结构中的多个离子源1的类型可完全相同，也可完全不同，本申请对此不进行限制。

驱动场为电场和磁场的组合场，如图4所示，在电场的作用下使离子2进行加速，同时在磁场的作用下使离子2发生偏转，离子2的运动轨迹类似于抛物线，使得不同同位素质量不同导致其偏转半径不同，用于同位素分离。

参照图4，接收器4是用来接收分离的各个同位素，接收器4中有用高纯铜片或者石墨制成的特殊形状的收集袋，将收集袋放在离子束2聚焦的位置，分离的同位素聚积在各个收集袋中，然后经过化学处理、提取、纯化得到同位素产品。

本申请实施例提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，参照图1和图4，由于多个离子源1之间的高压参数不同，导致多个离子源1的离子束2可偏转到接收器4的同一位置。虽然相关技术中的电磁分离系统可以进行同位素的分离，但由于真空室03内只设有一台离子源01设备，离子源01设备发射的离子02有限，导致电磁分离系统分离同位素的效率较低，产能有限，但本申请提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，通过在真空室3内设置多个离子源1，通过调节多个离子源1之间的高压参数及放置位置，使得多个离子源1引出的离子束2在驱动场的作用下进行加速和偏转到达接收器4的同一位置，相比相关技术中只设置一台离子源01设备的方法，本申请设计原理简单、实验过程简易，不需要改变离子源1的复杂结构，只需要在现有电磁分离系统的基础上，再设置多台离子源1设备，并对离子源1设备的相关参数进行调整即可，即，本申请提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，提高电磁分离法分离高丰度同位素的产能，满足国内各行业对高丰度同位素的需求。

如图4、图5和图6所示，其中，多个离子源1之间的横向位置以及高压参数不同，多个离子源1引出的离子束2可以偏转到同一位置，但由于多个离子源1之间的横向位置不同，导致多个离子源1发射的离子束2的束腰部分21不在同一高度，其中，横向位置是指多个离子源1在真空室3内沿水平方向排列的位置，束腰部分21是指当离子源1引出离子束2，离子束2在驱动场的作用下，实现偏转和聚焦后，最适合接收器接收同位素的位置。可分离出多种同位素，同一种同位素的离子束2在加速和偏转的过程中会聚焦到离子束2运动轨迹上的一个位置，此时，同一种同位素的离子束2的宽度最小，因此，将位于离子束2运动轨迹上的离子束2宽度最小的部分称为离子束2的束腰部分21，由于多个离子源1发射的离子束2的束腰部分21不在同一高度上，根本无法接收分离后的同位素，为了确保多个离子源1的离子束2的束腰部分21位于同一高度，调整多个离子源1伸入真空室3内的深度，即多个离子源1之间的纵向位置，纵向位置是指离子源1在真空室3上沿竖直方向上排列的位置，其中多个离子源1的横向位置和纵向位置为相对位置。

需要补充说明的是，参照图4、图7和图8，接收器4的放置位置决定了分离后的同位素的产量以及丰度，为此，将接收器4放置在离子源1的离子束2的束腰部分21，对多台离子源1设备经过分离后的同位素进行接收，可实现多台离子源1设备共同工作且公用一个接收器4的分离模式，提高了同位素的产量。

在本申请提供的一些实施例中，如图4所示，多个离子源1沿真空室3的长度方向间隔设置，如此，多个离子源1相互之间的间隔长度为确定值，确保多个离子源1在初始位置时只存在一个变量，即多个离子源1的横向位置，然后调整同位素电磁分离器的一室多源结构的相关参数，如多个离子源1之间的高压参数或者多个离子源1之间的纵向位置，研究同位素电磁分离器的一室多源结构之间相互参数之间的关系，且多个离子源1设置在真空室3的一侧，方便同位素分离系统的搭建。

优选地，参照图4，多个离子源1在驱动场的作用下在真空室3内进行偏转和加速，将接收器4与多个离子源1设置在真空室3的同一侧，由于离子2的运动轨迹类似于抛物线，所以离子2运动轨迹的横向距离为离子源1和接收器4之间的横向位置，方便确定接收器4和多个离子源1之间相对位置关系。

示例地，如图4所示，选取本申请提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，选取离子源1设备两台，且两台离子源1设备中间具有一定的间隔，来具体阐述一下同位素电磁分离器的一室多源结构的使用，同位素电磁分离器的一室多源结构的使用方法分为两步：

第一步：调整离子源1的高压参数和横向位置

当离子源1设备为两台时，两个离子源1设备之间的沿水平方向上横向间距不同，且两个离子源1设备之间的高压参数也不同，经过精确的模拟计算，通过调整两台离子源1的高压，使两台离子源1所引出的离子束2偏转到同一位置，模拟结果如图5和图6所示，两台离子源1的高压参数经过调整后，其引出的离子束2可偏转到同一位置，但由于两台离子源1的横向位置不同，所以离子束2的束腰部分21不在同一高度，根本无法接收经过分离后的同位素，紧接着进行第二步。

第二步：调整两台离子源1设备的纵向位置，即两台离子源1沿竖直方向上伸入真空室3内的长度，两台离子源1的高压参数和第一台离子源1设备的位置不变，继续调整第二台离子源1位置，当第二台离子源1设备相比第一台离子源1设备向真空室3内延伸一段距离后，两个离子源1设备伸入真空室3内的深度不同，两台离子源1设备所引出的离子束2可在接收器4处实现完全重合，模拟结果如图7和图8所示。

参照图7和图8，根据模拟结果，采用本申请提供的同位素电磁分离器的一室多源结构，对两台离子源1的高压参数和离子源1的位置进行调整，可在束腰处对两台离子源1设备经过分离后的同位素进行接收，实现两台离子源1设备共同工作且共用一个接收器4的分离模式，实现同位素产量的翻倍。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种同位素电磁分离器的一室多源结构，其特征在于，包括：

真空室，用于提供真空环境；

离子源，所述离子源为多个，用于在所述真空室内引出离子束，多个所述离子源的高压参数不同，以使多个所述离子源的离子束束腰偏转到同一位置；

驱动场，用于驱动离子加速运动和偏转；

接收器，用于接收所有所述离子源引出的，经磁场偏转分离的多种同位素。

2.根据权利要求1所述的同位素电磁分离器的一室多源结构，其特征在于，多个所述离子源伸入所述真空室内的深度不同，以使多个所述离子源的离子束的束腰部分位于同一高度，便于使用同一所述接收器接收。

3.根据权利要求2所述的同位素电磁分离器的一室多源结构，其特征在于，多个所述离子源沿所述真空室的长度方向间隔设置，位于所述多个所述离子源的连线所在直线上。

4.根据权利要求3所述的同位素电磁分离器的一室多源结构，其特征在于，所述接收器与多个所述离子源均位于所述真空室的同一侧。

5.根据权利要求4所述的同位素电磁分离器的一室多源结构，其特征在于，所述接收器放置在所述离子源所引出的所述离子束的所述束腰部分。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的同位素电磁分离器的一室多源结构，其特征在于，所述驱动场包括电场和磁场，电场用于对所述离子加速，磁场用于使所述离子偏转，从而实现不同质量同位素分离。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的同位素电磁分离器的一室多源结构，其特征在于，所述真空室上开设有观察窗，所述观察窗用于观察所述接收器处接收到的离子形成的像。

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