CN114471154A

CN114471154A - 同位素电磁分离器的离子源及其弧放电结构

Info

Publication number: CN114471154A
Application number: CN202111595183.2A
Authority: CN
Inventors: 徐昆; 任秀艳; 毋丹; 袁波; 梁爽; 赵纯瑞
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2022-05-13

Abstract

本发明实施例公开了一种同位素电磁分离器的离子源及其弧放电结构。同位素电磁分离器的离子源的弧放电结构包括弧放电室和阴极。弧放电室具有气体引入口，以引入包含同位素的气体。阴极设置于弧放电室内部，用于发射电子，以将弧放电室中的气体电离形成等离子体。其中，阴极包括螺旋段，螺旋段自下向上呈螺旋状延伸。本申请实施例的技术方案有利于提高弧放电室内的离子浓度。

Description

同位素电磁分离器的离子源及其弧放电结构

技术领域

本发明涉及同位素电磁分离技术领域，特别是涉及一种同位素电磁分离器的离子源及其弧放电结构。

背景技术

同位素电磁分离器利用能量相同、质量不同的离子在磁场中旋转半径不同实现同位素分离。离子源是同位素电磁分离器产生离子束的关键设备，其产生离子束束流的大小决定了同位素电磁分离器的产能。

发明内容

第一方面，本发明实施例提供了一种同位素电磁分离器的离子源的弧放电结构，包括：

弧放电室，其具有气体引入口，以引入包含同位素的气体；和

阴极，设置于所述弧放电室内部，用于发射电子，以将所述弧放电室中的气体电离形成等离子体；

其中，所述阴极包括：螺旋段，所述螺旋段自下向上呈螺旋状延伸。

第二方面，本发明实施例提供了一种同位素电磁分离器的离子源，包括本发明第一方面的弧放电结构。

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是根据本发明一个实施例的弧放电结构的示意性原理图；

图2是图1所示弧放电结构的阴极的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的离子源的示意性原理图；以及

图4是图3所示离子源的侧视图。

附图中：

10、阴极；11、第一引出段；12、螺旋段；13、第二引出段；20、弧放电室；21、束流引出缝；30、蒸汽分配室；31、蒸汽分配板；311、气体引入口；40、坩埚；50、绝缘部。

应该注意的是，附图并未按比例绘制，并且出于说明目的，在整个附图中类似结构或功能的元素通常用类似的附图标记来表示。还应该注意的是，附图只是为了便于描述优选实施例，而不是本发明本身。附图没有示出所描述的实施例的每个方面，并且不限制本发明的范围。

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。

本申请实施例提供的弧放电结构用于同位素电磁分离器的离子源。离子源的阴极结构用于产生电子。阴极产生的电子进入弧放电室电离被气化的元素，以将元素变为等离子体，进而被引出电极引出，形成离子束。

阴极的结构和位置决定了电子数量和电离程度。在相关技术中，阴极结构设置于弧放电室外部，电子经过设置在弧放电室上的电子窗进入弧放电室内部。

然而，本申请的发明人发现，对于设置电子窗的弧放电室，分离后同位素的丰度稍低。

发明人进一步发现，同位素的丰度稍低的原因主要有两方面。一方面是由于电子窗的存在影响弧放电室内的气密性，导致系统的的真空度变差。另一方面电子窗的存在对于阴极结构和电子窗的安装要求均十分严格，装配误差会导致阴极发射的电子不能全部进入弧放电室，既造成电子浪费，又影响电离程度。

此外，电子浪费会缩减阴极的寿命，不利于长时间分离同位素。

因此，本申请对相关技术中的离子源的弧放电结构进行了改进。

图1是根据本发明一个实施例的弧放电结构的示意性原理图。图中坐标x轴表示弧放电室20的横向，y轴表示弧放电室20的深度方向，z轴表示弧放电室20的高度方向。本申请中提及的“向上”、“向下”均是指沿弧放电室20的高度方向。

参见图1，本申请实施例的弧放电结构包括：弧放电室20和阴极10。

弧放电室20具有气体引入口311，以引入包含同位素的气体。

阴极10设置于弧放电室20内部，用于发射电子，以将弧放电室20中的气体电离形成等离子体。

本申请实施例通过将阴极10设置于弧放电室20内部，一方面，由于无需额外设置电子窗，有利于提高弧放电室20的气密性，使系统的真空度变好，进而提高分离同位素的丰度；并且有利于减少弧放电室20的漏气，减少离子源打火，提高离子源工作的稳定性。另一方面，阴极10产生的电子能够全部进入弧放电室20内，提高了电子的利用率，相应地提高了阴极10的寿命，进而提高分离器的单次分离时间；并且提高了气体的电离程度，有利于提高弧放电室20内等离子浓度，提高引出离子束流的强度。

图2是图1所示弧放电结构的阴极10的结构示意图。参见图2，阴极10包括：螺旋段12，其自下向上呈螺旋状延伸。换言之，螺旋段12沿着弧放电室20的高度方向呈螺旋状延伸。

本申请实施例的阴极10由于具有螺旋段12，一方面增大了电子的有效发射面积，使电子数目增大，有利于提高等离子浓度，提高引出束流强度，进而提高分离器产能；另一方面，螺旋段12自下向上螺旋延伸，降低了电子撞击在阴极10自身的概率，有利于提高电子的利用率。

在进一步优选的实施例中，螺旋段12的外径自下向上渐扩。相比外径自下向上渐缩的螺旋段12，外径自下向上渐扩的螺旋段12使得更多体积的阴极10更靠近弧放电室20的边缘(即弧放电室20的顶壁)，从而进一步减少阴极10对电子的遮挡，降低电子撞击在阴极10自身的概率，进一步提高电子的利用率。

参见图2，阴极10还包括：第一引出段11和第二引出段13，以将阴极10与外部电路连接，从而向阴极10提供电流和电压。

弧放电室20可具有顶壁、底壁以及将顶壁和底壁连接起来的周壁。第一引出段11和第二引出段13自顶壁进入弧放电室20。

第一引出段11自螺旋段12的上端向上延伸至弧放电室20顶壁。第二引出段13自螺旋段12的下端向上延伸至弧放电室20的顶壁。

螺旋段12环绕第二引出段13螺旋延伸。换言之，螺旋段12自第二引出段13的下端向上螺旋环绕第二引出段13延伸。在这样的实施例中，第二引出段13与螺旋段12的轴线共线，由第二引出段13向外发射的电子能够更加均匀地向弧放电室20的四周方向运动。

此外，由于第二引出段13与螺旋段12的轴线共线，可尽量增大第一引出段11与第二引出段13之间的间距，从而增加第一引出段11与第二引出段13之间的绝缘距离。

第一引出段11和第二引出段13与弧放电室20的顶壁相接的位置分别设置有绝缘部50，以防止阴极10与弧放电室20短路。该绝缘部50例如可为绝缘陶瓷环。

该绝缘部50既可实现阴极10与弧放电室20的顶壁绝缘，又能够将弧放电室20的顶壁密封，从而提高了弧放电室20的气密性。

在安装阴极10时，可在弧放电室20内由下至上进行安装，在阴极10与弧放电室20的顶壁的接口处采用绝缘陶瓷环进行绝缘。

螺旋段12的最大外直径不能超过弧放电室20的横向宽度。容易理解，横向是指图1中的x轴方向，即与气体引入口311所在平面平行的方向。

容易理解，螺旋段12的最大外直径越小，则阴极10发射的电子越少；螺旋段12的最大外直径越大，则阴极10发射的电子容易直接打到弧放电室20的周壁上，而未参与电离气体，造成电子的浪费。

本申请实施例特别地将螺旋段12的最大外直径设置为大于等于弧放电室20的横向宽度的一半，且小于等于弧放电室20的横向宽度的五分之四，使得阴极10发射的电子数量较多，同时电子利用率较高。

阴极10可以由钨丝制成。

钨丝的直径均匀，直径在1.6mm-2mm范围内即可。在制作阴极10时，可先将钨丝对折后形成双线段结构，再将双线段结构的第一条线段围绕第二条线段(即对应阴极10的第二引出段13)进行弯曲，弯曲过程可用明火进行加温，防止钨丝断裂。第一条线段可自两条线段连接处开始进行弯曲，弯曲的直径由小到大，使得两条线段的端部距离逐渐增大，弯曲达到最大直径后与另一线段平行延伸。从而使得阴极10穿过弧放电室20顶壁时，阴极10两端距离达到最大。

弧放电室20与气体引入口311相对的侧壁上设有束流引出缝21，用于供弧放电室20内的离子流出。

本申请还提供了一种同位素电磁分离器的离子源，包括根据本申请任一实施例的弧放电结构。

图3是根据本发明一个实施例的离子源的示意性原理图；图4是图3所示离子源的侧视图。参见图3和图4，离子源还包括坩埚40。坩埚40用于将原料加热，以产生包含同位素的气体。

离子源还包括蒸汽分配室30。蒸汽分配室30分别与坩埚40和弧放电室20连通，用于将气体引入弧放电室20。

弧放电室20和蒸汽分配室30之间可由蒸汽分配板31隔开，气体引入口311设置在蒸汽分配板31上。气体引入口311的数量可为多个。原料在坩埚40中经过加热后形成的气体首先经过蒸汽分配板31，再进入弧放电室20。

蒸汽分配板31可为开多个小孔的石墨板。可在蒸汽分配板31上设置多列气体引入口311，相邻两列的气体引入口311相互错开。如此设置，使得通过蒸汽分配板31的蒸汽不会忽大忽小，且蒸汽均匀分布，便于和阴极10产生的电子发生碰撞。

离子源在使用时，阴极10通过电流加热以释放热电子。整个弧放电室20可连接30kV高压，阴极10可连接(30kV-300V)高压，阴极10与弧放电室20形成的300V压差用于使阴极10产生电子向弧放电室20的各个方向加速，使电子充满整个弧放电室20，提高电子利用率。电子击打弧放电室20内的气体使其电离，电离后的气体从束流引出缝21逸出。

本申请还提供了一种同位素电磁分离器，包括根据本申请任一实施例的离子源。

同位素电磁分离器还可包括磁分析器和同位素接收器。

磁分析器用于将不同质量的离子束分开，将相同质量的离子束聚焦。同位素接收器用于同时分别接收分开了的各同位素。

磁分析器和同位素接收器可均为本领域中常见的结构，在此不予赘述。

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

1.一种同位素电磁分离器的离子源的弧放电结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的弧放电结构，其特征在于，所述螺旋段的外径自下向上渐扩。

3.根据权利要求1或2所述的弧放电结构，其特征在于，所述阴极还包括：

第一引出段，自所述螺旋段的上端向上延伸至所述弧放电室的顶壁；和

第二引出段，自所述螺旋段的下端向上延伸至所述弧放电室的顶壁。

4.根据权利要求3所述的弧放电结构，其特征在于，所述螺旋段环绕所述第二引出段螺旋延伸。

5.根据权利要求3所述的弧放电结构，其特征在于，所述第一引出段和所述第二引出段与所述弧放电室的顶壁相接的位置分别设置有绝缘部。

6.根据权利要求1所述的弧放电结构，其特征在于，所述螺旋段的最大外直径大于所述弧放电室的横向宽度的一半。

7.根据权利要求1所述的弧放电结构，其特征在于，所述阴极由钨丝制成。

8.根据权利要求1所述的弧放电结构，其特征在于，所述弧放电室与所述气体引入口相对的侧壁上设有束流引出缝，用于供所述弧放电室内的离子流出。

9.一种同位素电磁分离器的离子源，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的弧放电结构。

10.根据权利要求9所述的离子源，其特征在于，还包括：

坩埚，用于产生包含同位素的气体；

蒸汽分配室，分别与所述坩埚和所述弧放电室连通，用于将所述气体引入所述弧放电室。

11.根据权利要求10所述的离子源，其特征在于，所述弧放电室和所述蒸汽分配室之间由蒸汽分配板隔开，

所述气体引入口设置在所述蒸汽分配板上。