DE1070850B - - Google Patents

Description

bundesrepublik deutschland

DETJTSCF E S

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1070 ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT:

AUSGABE DER PATENTSCHRIFT:

kl. 42 1 3/09

INTERNAT. KL. G 01 H

16. november 1955

10. dezember 1959 2. juni 1960

STIMMT OBEREIN MIT AUSLEGESCHRIFT 1 070 850 (W 17865 IX/42 I)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektromagnetischen Trennung von Isotopen, mit derea Hilfe beträchtliche Materialmengen gewonnen werden können.

Das Grundproblem, das bei der Entwicklung der sogenannten Atomindustrie entstanden ist, betrifft die Trennung von Isotopen, insbesondere die Trennung der Isotope von Uran und Lithium. Um brauchbar zu sein, muß das Trennverfahren große Mengen eines Materials liefern, das nahezu ausschließlich aus einem bestimmten Isotop besteht.

Das einzige Trennurigsverfahren. das bis jetzt in großtechnischem Maßstab angewandt wird, beruht auf der Gasdiffusion. Der Energieverbrauch derartiger Gasdiffusionsanlagen ist jedoch enorm. Die Gestehungskosten der Isotope sind dementsprechend hoch. In kleinem Maßstab können Isotope auch elektromagnetisch in Massenspektrographen getrennt werden. In diesem Falle werden Ionen in einen Trennraum geführt und dort magnetischen und elektrischen Feldern unterworfen. Da die Beweglichkeit von der Masse abhängt, lassen sich so die einzelnen Isotope getrennt auffangen. Die auf diesem Wege erzielbaren Mengen angereicherter Isotope sind jedoch außerordentlich gering. Die Ausbeute hängt nämlich wesentlich von der Stärke des Ionenstromes ab, der im Trennraum fließt. In Massenspektrographen wird dieser Strom wegen des Raumladungsfeldes auf einem sehr geringen Wert gehalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren gründet sich auf zwei Entdeckungen, die beim Betrieb der nachstehend beschriebenen Einrichtung gemacht wurden. Einmal wurde gefunden, daß bei Anwendung eines sehr schwachen Potentials zur Überführung der Ionen aus der dieselben erzeugenden Bogenentladung in den Trennraum nicht nur positive Ionen in diesen gelangen, sondern auch Elektronen aus dem Plasma der positiven Säule. Diese Elektronen neutralisieren die Raumladung in dem Trennraum, so daß der Ionenstrom nicht mehr durch die Raumladung begrenzt wird. Zum anderen wurde gefunden, daß die ungeordnete Geschwindigkeitsverteilung der Isotopionen im Trennraum in der Umgebung des Bogens dadurch in eine geordnete Verteilung am Ende des Trennraumes verwandelt werden kann, daß in Umfangsrichtung verlaufende elektrische Felder in dem Trennraum erzeugt werden. Diese Felder bewirken, daß am Umfang des Trennraums die verschiedenen Isotope so konzentriert sind, daß angereichertes Material gesammelt werden kann. Unter Umfangsfeldem werden hierbei Felder verstanden, deren Kraftlinien im wesentlichen in zum Bogen senkrechten Ebenen etwa konzentrisch zu diesem verlaufen.

Demgemäß ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Isotopentrennung in größerem Maßstab nach dem Prinzip des Massenspektrographen, bei dem eine Bogen-

IO

»5 Verfahren und Einrichtung zur Trennung von Isotopen

Patentiert für:

Joseph Slepian, Pittsburgh, Pa. (V.St.A;)

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 18. November 1954

Joseph Slepian, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

entladung zur Erzeugung eines neutralen Plasmas aus

as Ionen der zu trennenden Isotope und aus Elektronen in einem Raum aufrechterhalten wird, in dem ein zur Bogenrichtung longitudinales Magnetfeld und ein elektrisches Feld zur radialen Überführung der Ionen aus der Bogenentladung in einen benachbarten Trennraum herrschen, in welchem zusätzliche elektrische Felder im Zusammenwirken mit dem Magnetfeld den Ionen der verschiedenen Isotope verschiedene Bahnen aufzwingen, so daß die einzelnen Isotope getrennt an Sammelplatten niedergeschlagen werden können, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ionen absaugendes elektrisches Feld von so geringer Feldstärke angewandt wird, daß die Ionen zusammen mit die Raumladung neutralisierenden Elektroden in den Trennraum gelangen und der Stromfluß im Trennraum durch kein Raumladungsfeld behindert wird, sowie daß auf die Ionen im Trennraum Umfangsfelder konstanter Polarität einwirken, deren Kraftlinien in etwa senkrecht zum Lichtbogen stehenden'Ebenen konzentrisch zu diesem verlaufen.

Zur Erzeugung dieser Umfangsfelder dienen vorzugs-

weise radial zum Bogen angeordnete Elektrodenplatten, die sich von dem in der Mitte einer zylindrischen Kammer trennenden Lichtbogen bis zum Umfang der Kammer erstrecken. Die Platten können auch radial in einzelne Abschnitte unterteilt sein, an die von innen nach außen steigende Gleichspannungen angelegt werden. Die vorzugsweise geerdeten Kammerwände sind durch isoliert aufgehängte leitende Platten gegen den Trennraum abgeschirmt. Die Abschirmplatten sind nicht an ein bestimmtes Potential angeschlossen. Gemäß einer beson-

009 52Ϊ/71'

i 070 850

deren Ausführungsform können aber auch die Abschirmplatten selbst zur Erzeugung der Umfangsfelder dienen, wobei dann die radialen Elektrodenplatten wegfallen. Die am Umfang der Kammer angebrachten Abschirmplatten dienen gleichzeitig zum Sammeln des angereicherten Materials.

Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht, teilweise von der Seite, und teilweise im Schnitt einer Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilansicht im Schnitt der für die Einrichtung gemäß der Erfindung verwendeten Elektroden,

Fig. 4 eine Ansicht in schematischer Darstellung, welche die Bahnen der Ionen bei der Anordnung gemäß der Erfindung zeigt, und zwar zeigen die voll ausgezogenen Linien die Bahnen der leichteren Ionen, die gestrichelten Linien die Bahnen der schwereren Ionen,

Fig. 5 eine Ansicht in schematischer Darstellung, welche die Verhältnisse zwischen den Kräften auf die Ionen bei der Anordnung gemäß der Erfindung zeigt,

Fig. 6 eine Ansicht in schematischer Darstellung für eine abgeänderte Ausführung,

Fig. 7 bis 9 Ansichten in schematischer Darstellung, welche weitere Ausführungsformen gemäß der Erfindung zeigen.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Einrichtung weist eine Vakuumkammer 11 auf, die mit einem nicht gezeigten System von Vakuumpumpen über ein Absaugrohr 13 verbunden ist und evakuiert werden kann, so daß der Druck innerhalb der Kammer 11 weniger als ¹Z₁₀ Milcron beträgt. Die Kammer Il hat eine im wesentlichen zylindrische Forrn von kreisförmigem Querschnitt und leitende Stirnflächen 15 und 17 sowie einen leitenden Mantel 19, wobei die Stirnflächen mit mittig angeordneten Isoliereinsätzen 21 und 23 und der Mantel 19 mit Isohereinsätzen 25 und 27 versehen sind. Die Wand 19 weist ferner eine Öffnung 29 auf, in die das Absaugrohr 13 abgedichtet eingesetzt ist. Die Vakuumkammer ist vorzugsweise geerdet.

Durch die mittig angeordneten Isoliereinsätze 21 und 23 sind Elektrodenhalter 31 und 33 geführt. Der untere Halter 31 dient zur Aufnahme der die Ionen und die die. Raumladung neutralisierenden Elektronen emittierenden positiven Elektrode 35, während der obere Halter 33 zur Aufnahme der negativen Elektrode 37 bestimmt ist. Die Halter sind mit nicht in näheren Einzelheiten gezeigten Einrichtungen zur Verbindung mit einer Energiequelle versehen. Diese Energiequelle muß ausreichen, um zwischen den Elektroden 35 und 37 einen elektrischen Entladungs-Lichtbogen zu erzeugen, und derart regelbar sein, um sicherzustellen, daß der Lichtbogen aufrechterhalten bleibt.

Die positive Elektrode 35 ist aus einem Material, das die voneinander zu trennenden Isotope enthält. Wenn daher die Isotope des Urans zu trennen sind, so ist die positive Elektrode vorzugsweise aus einem Stab festen reinen Urans. Sie kann jedoch auch aus Uranoxyd bestehen, dem eine geringe Menge Metall, z. B. Uran, zugemischt worden ist, um sie leitfähig zu machen.

Die negative Elektrode 37 kann eine Dochtkohle, z. B. ein Kohlestab 41 (Fig. 3), sein, dessen Mitte ausgebohrt ist und einen Kern 173 aus Oxyden der Erdmetalle enthält. Es können jedoch auch andere Elektroden verwendet werden, da sie lediglich als Elektronenquelle zu dienen brauchen, d. h. als Kathoden für einen elektrischen Entladungs-Lichtbogen, der starke Elek-

tronenströme von der Größenordnung mehrerer Ampere liefert.

An jedem der Einsätze 21 und 23 in den Stirnwänden ist ein leitender Ring 45 bzw. 47 befestigt. Ein Leiter 49 bzw. 51 ist abgedichtet durch jeden Einsatz eingeführt, wobei nicht mit näheren Einzelheiten dargestellte Einrichtungen vorgesehen sind, durch die zwischen den leitenden Ringen und den Elektrodenhaltern eine Spannung angelegt werden kann. Die Spannung erzeugt ίο ein elektrisches Feld, durch das die im Lichtbogen 35-37 befindlichen Ionen der Isotope in den Trennraum getrieben werden. Die Feldstärke wird so gering gewählt, daß nicht nur Ionen, sondern auch die Raumladung neutralisierende Elektronen in den Trennraum gelangen. An jeder der Stirnwände 15 und 17 ist gemäß Fig. 1. mit Stiften 65 eine Vielzahl von kreissektorförmigen Leitern61, 63 und 61', 63' befestigt. Die leitenden Sektoren 61 und 63. weiche sich von der Innenseite jeder Stirnwand aus erstrecken, überlappen sich (Fig. 2). Die Stifte 65, an welchen die Sektoren befestigt sind, bestehen aus Isohermaterial, so daß die Sektoren von den Stirnwänden isoliert sind. Die Sektoren 61 und 63 isolieren den Raum, in dem der Lichtbogen brennt und sich die von ihm ausgehenden Ionen bewegen, von den benachbarter: Seiten, z. B. den Wänden 15 und 17, und verhindern das Abfließen der Ladungen zu den Kammerwänden.

An dem Mantel 19 ist eine Vielzahl sich überlappender, kreisförmig gebogener Zjdinderabschnitte 67 und 69 aufgehängt. Diese Streifen 67 und 69 werden ebenfalls von nicht gezeigten Isolierstiften getragen, sind jedoch selbst leitend. Die Streifen 67 und 69 können von allen benachbarten Leitern isoliert sein und ein Undefiniertes Potential haben, in welchem Falle jeder Streifen 67 bzw. 69, der den radialen Platten 71 bis 77 am nächsten gelegen ist, eine Spannung annimmt, die der Spannung der nächstgelegenen radialen Platte nahekommt, während die anderen Streifen progressiv unterschiedliche Spannungen annehmen, die zwischen den Spannungen der Platten 71, 75 und 77, 73 liegen. Wahlweise kann die Umfangsplatte, die einer radialen Platte am nächsten liegt, leitend mit der nächsten radialen Platte verbunden sein. In beiden Fällen schirmen die Streifen 57, 69 den Bogen 35-37 und den Trennraum von der Kammerwand 19 ab. Ferner diener, die Streifen 67,69 zum Sammeln des angereicherten Materials.

Je ein Paar leitender senkrechter Platten 71, 73 bzw. 75, 77 erstreckt sich radial auf jeder Seite der Lichtbogenelektroden 35, 37. Diese Platten sind an Isolierarmen 79, 81 befestigt, welche von den Stirnwänden 15, 17 abstehen und an diesen durch Bolzen 83 aus Isoliermaterial befestigt sind. Die Leiter 91, 97 zum Anschluß der Platten 71, 77 an eine gemeinsame nicht gezeigte Leitung sind durch den Einsatz 27 durchgeführt, während die Leiter 93, 95 zum Anschluß der Platten 73, 75 an eine gemeinsame Leitung durch den Einsatz 25 durchgeführt sind. Die beiden Einsätze sind in der Mantelwand 19 vorgesehen und dienen dazu, zwischen den Platten 71 und 73 bzw. 75 und 77 Spannungen anzulegen, welche die Felder erzeugen, deren KraftUnien in etwa zum Bogen senkrechten Ebenen in Umfangsrichtung verlaufen. Diese Felder bewirken die Trennung der Isotope. Jede der Platten erstreckt sich nach innen bis zu einer den Lichtbogenelektroden 35, 37 sehr nahe gelegenen Stelle, während sich die den Ringen 45, 47 benachbarten Kanten der Platten zwischen den Ringen erstrecken. Nach außen erstrecken sich die Platten 71, 73, 75 und 77 bis zu einem Bereich in der Nähe der gebogenen Streifen 67 und 69. Die Platten sind zwischen den beiden Sektoren 61,63 bzw. 61', 63' angeordnet, welche an den Stirnwänden 15 und 17 aufgehängt sind.

Die Kammer 11 ist innerhalb eines Elektromagnets 101 angeordnet. Die Nord- und Südpole 103 bzw. 105 dieses Magnets erstrecken sich über den Stirnwänden 15,17 und befinden sich in einem geringen Abstand von diesen.

Die dargestellte, zur Ausführung der Erfindung geeignete Einrichtung weist eine Vakuumkammer 11 mit einem Außendurchmesser von 122 cm und eine Höhe von etwas weniger als 91,5 cm auf. Das Volumen der Kammer beträgt 14201 und wird durch eine Pumpenanlage evakuiert,, die aus einer Öldiffusionspumpe von 50,8 cm, einer Öldiffusionsvorpumpe von 20,3 cm und aus einer Kreiselpumpe besteht, die eine Fördermenge von 2980 I/ Minute aufweist. Die Höhe der Platten beträgt etwas wenigei als 91,5 cm und ihre Breite etwas weniger als 122 cm. Der Abstand zwischen den Platten 71 und 73 sowie 75 und 77 längs des Lichtbogens ist etwa 3 mm. Die Isoiierarme 79 lind 81 zwischen den Platten haben verhältnismäßig geringe Abmessungen. Der Magnet hat Polflächen (103 und 105) mit einem Durchmesser von etwa 91,5 cm und einem Abstand von etwa 91,5 cm voneinander. Die Höhe des Magnets beträgt 3,8 m, seine Länge 4,12 m und seine Breite 1,22 m. Das Eisen des Magnets wiegt 821, während der Magnet durch eine Wicklung 107 erregt wird, deren Kupferwindungen 10 t (11 tons) wiegen. Für die Erregung des Magnets sind 2000 Ampere vorgesehen, wobei der Magnetfluß in der Mitte des Spalts zwischen den Polflächen etwa 10 000 Gauß beträgt.

Die Energie für den Lichtbogen wird von einer Gleichstromquelle mit einer Spannung von 250 Volt geliefert, wobei der im Lichtbogen übergehende Strom bei den meisten Versuchen gewöhnlich 10 Ampere beträgt, obwohl auch 100 Ampere verwendet wurden und eine noch höhere Stromstärke möglich ist. Die Lichtbogenspannung schwankt zwischen 20 und 100 Volt.

Der Lichtbogen wird in der üblichen Weise dadurch zur Entzündung gebracht, daß die Lichtbogenelektroden 35, 37 miteinander in Berührung gebracht und dann wieder getrennt werden. Für diesen Zweck ist ein nicht gezeigter Motor vorgesehen, der mit einer der Elektroden, gewöhnlich mit der Anode, gekuppelt ist. Der bewegliche Elektrodenhalter ist durch eine sogenannte Wilson-Dichtung abgedichtet, so daß er vor und zurück und mit einem geringen Betrag seitwärts in allen Richtungen bewegt, werden kann. Der Motor wird · zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens durch eine Regelschaltung gesteuert.

Die Kammer 11 ist geerdet. Zwischen den Ringen 45, 47 und der Anode 35 ist eine Gleichspannung von etw? 30 Volt angelegt. Eine Gleichspannung von etwa 200 oder 300 Volt ist zwischen jedem Paar in der gleichen Ebene liegender Platten 71, 75 bzw. 73, 77 angelegt, wobei die eine Platte 73 bzw. 75 auf jeder Seite der Lichtbogenelektroden elektrisch negativ ist und die andere Platte 71 bzw. 77 elektrisch positiv. Die Zufuhr der Spannungen zwischen den Platten 71 bis 77 ist von der Lichtbogenspa.ununrszufuhr und der Zufuhr der Spannung zwischen der positiven Elektrode 35 und den Ringen 45, 47 unabhängig. Zwischen den Platten 71, 75 und 73, 77 werden daher elektrische Umfangsfelder erzeugt.

Im Betrieb werden die verschiedenen Spannungen zwischen den Lichtbogenelektrcden 35,37, den Ringen 45, 47 sowie der positiven Elektrode 35 und den Platten 71 bis 77 angelegt und zwischen den Lichtbogenelektroden ein Lichtbogen entzündet. Dieser Lichtbogen brennt zwischen der Kathode 37 und der erodierten Fläche 107 (Fig. 3) der Anode 35 und erzeugt Ionen der voneinander zu trennenden Isotope und Elektronen. Unter der Wirkung des elektrischen Feldes, das zwischen den Ringen 45, 47 und der Anode 35 erzeugt wird, und des Magnetfeldes

werden die Ionen und Elektronen in den Raum gerichtet, in welchem die Umfangsfelder durch die Platten 71 bis 77 erzeugt werden.

Es wurde festgestellt, daß infolge der Wechselwirkung zwischen den Ionen und den Elektronen beide in der Urnfangsfeldraum in im wesentlichen gleicher Anzahl je Volumeinheit gelangen und die Raumladungswirkung der Elektronen und der Ionen fast völlig neutralisier* wird, wobei ein außerordentlich kleiner Rest ein schwache:

ίο elektrisches Feld ergibt, das zum Magnetfeld senkrecht ist Es sei angenommen, daß die leichten Ionen von de Masse W₁ in den Umfangsfeldraum mit einer ungerichtete Geschwindigkeit V₁ und die schweren Ionen von de. Masse m₂ mit einer ungerichteten Geschwindigkeit v.

eintreten. Die mittleren radialen Geschwindigkeiten de. schweren und ieichten Ionen sind gleich. Diese mittler« radiale Geschwindigkeit sei D₀. V₀ ändert sich von einer Punkt zum anderen geringfügig. Da die ungerichtet! Energie der Ionen durch die Wechselwirkungen zwischei den Ionen und den Feldern in geordnete Energie umgewandelt wird, werden und V₂ zunehmend kleiner und V_ct wird zunehmend größer als V₁ oder V₂- Wenn V dizwischen den Platten angelegte Spannung ist, welche die Umfangsfelder erzeugt, dann gibt es eipen radialei Abstand von der Mitte des Lichtbogens r₀, für den gil V — π r₀ V₀ H, wobei H für das Magnetfeld steht. De. Wert π v₀ ist angesetzt, da zwei Elektrodenpaare vor handen sind. Das der Spannung V entsprechende elek frische Umfangsfeld ist gegeben durch E₀ = V ₀H plu einem schwachen elektrischen Feld infolge der ungeord neten Geschwindigkeiten V_i und v₂. Wenn nun v₀ von de Größe angenommen wird, die es haben würde, wenn e. in den freien Raum gerichtet ist und der Wert von F 10 000 Gauß beträgt, kann die Gleichung V — π r₀v₀F wenn V mit 200 oder 300 Volt angenommen wird, nach r aufgelöst werden, und unter diesen Umständen ergibt sich daß r₀ gleich dem Abstand von der Mitte des Lichtbogen: zu einem Punkt des äußeren Umfangs der Platten fü ein Gefäß mit den vorangehend angegebenen Ab

4.0 messungen ist.

Die Situation, welche unter den vorstehenden Annahmen im Umfangsieldraum zwischen den Platten 7" und 77, wo der radiale Abstand vom Lichtbogen klein ist 3.1s r₀, besteht, ist in Fig. 5 dargestellt. Wenn nun fr.

4S den Augenblick ein lon von der Massew₁ oder W₂ bt trachtet "wird, ergibt sich, daß in diesem Bereich die au das lon infolge des elektrischen Feldes E .wirkende Krai gleich eE ist, welche größer sein würde als die Kraft//-v₀ die durch das Magnetfeld H erzeugt wird, da r kleine' ist als r₀. Dies würde eine starke Wanderung der Ionei von den Massen W₁ und W₂ zur negativen Platte 73 zu. Folge haben. Gleichzeitig findet eine Elektronen wanderung zur positiven Platte 77 statt. Dies hat dann die Bildung einer dünnen Schicht einer positiven Raumladung an dei negativen Platte 73 und die Bildung einer dünner Schicht einer negativen Ladung an der positiven Platte T zur Folge. Die Raumladungen nehmen in ihrer Dicke zu bis das elektrische Feld E₀ im Vakuumraum auf etwa mehr als -Hv₀ reduziert wird, und dieser Unterschiec bewirkt, daß der Strom in den Trennraum fließt. In den ganzen Vakuumraum besteht daher ein elektrische: Umfangsfeld, das nahezu gleich -Hv₀ ist. Dünne Raum ladungen an den Elektroden gleichen den Unterschie': zwischen der angelegten Spannung V = π T ₀Hy₀ und den Wert -Hv₀ aus.

Der Gesamtstrom im Trennraum ist der zur Platte T. fließende Ionenstrom und der zur Platte 77 fließend«. Elektronenstrom. Infolge der Wirkung des Magnet feldes H auf diesen Strom wird eine diesen nach außer bewegende Kraft ausgeübt. Diese Kraft ist, wenn

kleiner als r₀ ist, positiv und wird Null, wenn r = r₀. Wenn r größer als r₀ ist, wird die Kraft auf diesen Strom umgekehrt, so daß nicht viele Ionen zu Stellen gelangen, an denen r größer als r₀ ist.

Die Ionen werden in einen Raum gerichtet, in welchem ein in Umfangsrichtung wirkendes Feld von einer Intensität von etwa E₀ = -Hv₀ vorhanden ist, und wenn r₀ die äußere Begrenzung dieses Feldes ist, ist es an dieser einer Spannung V = nr₀Hv₀ ausgesetzt. Nun wirkt jeder Kubikzentimeter dieses Raums unterschiedlich auf die Ionen. Die leichteren Ionen werden, wie nachstehend erläutert wird, in Richtung der negativen Elektrode verdrängt und die schwereren Ionen in Richtung zu den positiven Elektroden. Wenn sie die umgebende zylindrische Elektrode erreichen, werden sie niedergeschlagen, wobei der Niederschlag am positiven Ende reicher an schwereren Ionen und der Niederschlag im negativen Ende reicher an leichteren Ionen ist.

Für das Verständnis des Vorangehenden seien die Ionen zweier verschiedener Isotope an einem gegebenen Punkt des Raums betrachtet, wobei die Massen W₁ und w₂ sind, die mittlere Geschwindigkeit der radialen Bewegung υ₀ und die ungeordneten Geschwindigkeiten in allen Richtungen D₁ und D₂ sowie W₁ (vi + v\) = W₂ («o + ^vD ^unc^ ^wi ^und ^v2 kleiner als v₀ sind.

Es sei nun eine Anzahl leichterer Ionen mit einer radialen Geschwindigkeit V₀ + V₁ und eine gleiche Anzahl leichterer Ionen mit einer radialen Geschwindigkeit V₀ — V₁ betrachtet. Das Umfangsfeld sei E₀=-Hv₀ and die Umfangsgeschwindigkeit für die betrachteten 'onen anfänglich gleich Null. Für die erste Art von ionen ergibt sich:

eE₀ + He(v₀ + V₁) = Mt_{1 (}

wobei Vq₁ die Umfangsgeschwindigkeit ist, welche durch las lon in der Zeit t erreicht wird. Wenn Hev₀ gegen eE₀ uifgehoben wird, ergibt sich durch Integrieren

Hev₁I -- ■W₁Vqi ■ Wenn χ ein kleiner radialer, von dem lon in der Zeit t durchlaufener Abstand ist, ergibt sich

V₀ + V₁

so daß

He

W₁ V₀ + V₁

In gleicher Weise erhält man He v-,

"Θ1

χ = V₁

ei >

wobei Vg₁ die Umfangsgeschwindigkeit der langsameren Ionen ist.

Für die Zunahme der Umfangsgeschwindigkeit des leichteren Ions auf der Strecke χ gilt also:

1 . . . „ , Jiew₁ /1 1 \

»ei = y Ce. + •eJ = * [-^+V₁ -

He v\x

W₁ (vl-v\)

^a*> In ähnlicher Weise ist für eine Anzahl schwerer Ionen, wenn zuerst D₂ und V₀ addiert werden und dann für eine gleiche Anzahl V₂ entgegengesetzt D₀ ist,

1 , , ,, , He vi χ

Vez = -7Γ (">Θ2 + J>0₂) = T-T¹ —2\~

2 »i₂ (Do—d;)

und

He

(»I₁Vl-Vl) {■Tn_iVl-Vl)

Da W₁ < w₂ und D₁ > D₂ > D₀, ist D_el — D_e2 zwangläufig eine negative Größe. Das Gas würde in der Richtung der negativen Elektrode mehr leichtere Ionen verlieren. Wenn nun E = E₀ + (E — E₀) der allgemeine Wert für das Feld ist, erhält man die Gleichung

e (E — E₀) + Hev₁ =W₁

dv,

ei

dt

und e (E — E₀)t + Hev₁I = W₁D_el,

"ei

[e(E — E₀) +Hev₁]
^mi (»0 + ^vi)

»ei = e(E — E₀)—Hev₁

M₁ (v₀ — V₁)

"ei = -T Ku + ^υβι) = +

e (E-E₀) W₁ v\ vi

He

vl-

v]

Ve₂ = 4- K>2 + »ei) = +

e (E-E₀) m ₂vt vi

vi — vi

He

Wo

vi

vi-

■vi

Es sei nun angenommen, daß E sich selbst so einstellt, daß De₁ gleich Null, wie dies mit großer Annäherung in der ^ahe der negativen Elektrode der Fall ist:

0 =

Dann ist

e (E-E₀) He

~2 »O

W₁ DJ W₁

He i%
W₂ vi

\ vl 1

He

[ v% 1

_ He

\v\-

vl]

vi — vi

χ W2

Do vi

[vl-

vi

Andererseits ist, wenn E sich selbst so einstellt, daß v_ei =0, wie dies annähernd in der Nähe der positiven Elektrode der Fall sein njuß:

0 =

e(E-E₀)

Dann ist

Ve₁ =

Hevl

v_a —

vi

vl-v\

He

W₂

* —

He

m.

X = —

He

OT_n

fr — vi

vi - v\

Daher nimmt nahe der Vorderkante der negativen Platte 73 das Feld einen solchen Wert an, daß die Gesamtumfangsgeschwindigkeit von Ot ₁ nahezu den Wert Null annimmt. Die Umfangsgeschwindigkeit des Teilchens Ot ₁ ist dann positiv und gleich

He

OT«

vi ■

vi

vi —vi

Andererseits hat in der Nähe der Hinterkante der positiven Platte das elektrische Feld einen solchen Wert, daß das Teilchen Wt₂ die Gesamtumfangsgeschwindigkeit Null hat. Die Umfangsgeschwindigkeit des Teilchens Ot₁ ist dann negativ und gleich

t H

daß für eine solche Drehung w = -— und bei Aus-

schaltung des Magnetfeldes die Fliehkraft F =

wird, so daß sich ergibt, daß sie sich mit dem Radius ändert und daher sich die Bewegung der Ionen in der ursprünglichen Bewegung ebenfalls proportional zum ao Radius ändert.

Man erhält dann in einem Abstand von r · 2,5 cm von der. Mitte

C^r ₁

I-C^r ₁

C\

exp. (0,005 r*).

He

vi

l-c!

An den zwischenliegenden Punkten nimmt die Bewegung Zwischen werte an, und der Unterschied in der Umfangsgeschwindigkeit der beiden Ionen liegt zwischen V ist dann 7 · r Volt. Für 20 · 2,5 = 50 cm ergibt sich

Cf

1 - Cf

He

v\ - vi

vi

und

He

V₁ — l>5

X .

CJ

= exp. [0,005(20)²] = exp. (2,0) = 7,4.

1 - Ci

Im vorangehenden wurde gezeigt, daß zwischen den beiden Ionen ein Unterschied besteht, d. h., die leichteren Ionen bewegen sich zur negativen Platte, während sich die schwereren zur positiven Platte bewegen. Es wurden jedoch keine berechenbaren Formeln gegeben, da χ und die Anzahl der betrachteten Ionen unbekannt war. Nachstehend sei eine experimentelle Zahl für Uranionen angegeben. Für ein Magnetfeld von 6000 Gauß, bei welchem die radialen Platten 2,5 cm vom Lichtbogen entfernt begannen, wurde die Anreicherung des leichten Isotops als Niederschlag auf den ersten 2,5 cm der Platten festgestellt, wobei eine Spannungsdifferenz von 7 Volt vorhanden war. Die Anreicherung ergab sich zu einem halben Prozent, go daß

~(i - CT)

et 1-er

wobei C ι und

1,005 = exp. (0,005),

die atomare Konzentration des leichteren Isotops auf den ersten 2,5 cm der negativen bzw. positiven Platte und exp. der Nepersche Exponentialausdruck ist.

Um nun die Abhängigkeit vom Radius r zu ermitteln, kann die Wirkung des Magnetfeldes auf das lon des leichteren Isotops durch eine Achsendrehung um einen c a

Betrag w = -— und die Einführung eines radialen elektrischen Feldes E =

4 w,

nach dem Theorem von

Larmor ersetzt werden. Für das andere lon und die Elektronen wird H natürlich nicht ersetzt. Man sieht, V = 7 ■ 20 = 140 Volt.

Es ist nicht überraschend, daß die Anreicherung so rasch

in Abhängigkeit von r zunimmt. V = nr₀Hv₀ nimmt proportional r zu. Aber dann verhält sich auch das Verhältnis V₁ oder V_i zu υ₀ umgekehrt wie r, so daß das Quadrat von r in den Gleichungen in den Exponentialausdruck kommt.

Die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform ist der bevorzugten'Ausführungsform der Erfindung ähnlich mit der Ausnahme, daß jede der Platten 71 bis 77 in eine Vielzahl isolierter Abschnitte 71« bis 71 d bis 77 a bis 77 d unterteilt ist, an die zunehmend höhere Spannungen gelegt werden. In jedem Falle sind die Spannungen derart, daß das Feld E ausreicht, die Forderung zu befriedigen, daß eE größer ist als Hev₀.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 wird das elektrische Umfangsfeld durch gesonderte, mit einem Winkel zueinander angeordnete Platten 201 und 203 erzeugt statt durch Paare oder Sätze von Platten.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 wird das elektrische Umfangsfeld dadurch erzeugt, daß Spannungen von entgegengesetzter Polarität an die benachbarten Sektorplatten 61, 63 und 61', 63' gelegt werden. Diese haben also im Gegensatz zu früher hier ein definiertes Potential. Bei dieser Ausführungsform sind keine radialen Platten 71, 73, 75, 77 oder 71a bis 77 d vorgesehen, sondern nur Umfangsplatten 67, 69, welche jedoch in Fig. 8 der übersichtlichen Darstellung halber nicht gezeigt sind.

Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform sind die Umfangsplatten 67, 69 weggelassen und statt dessen radiale Platten 301 vorgesehen, welche an den Endplatten 61, 63, 61', 63' aufgehängt werden können, wobei

009 S2V71:

Claims (14)

die Aufhängung entweder isoliert oder leitend ist. Die Platten 301 ermöglichen ein leichteres Evakuieren des Apparats als die Platten 67, 69. Außerdem erleichtern die Platten 301 die Trennung, da das ungeladene Material zwischen ihnen hindurchtritt und nur geladenes Material durch sie gesammelt wird. Patentansprüche: IO

1. Verfahren zur Isotopentrennung in größerem Maßstab nach dem Prinzip des Massenspektrographen, bei dem eine Bogenentladung zur Erzeugung eines neutralen Plasmas aus Ionen der zu trennenden Isotope und aus Elektronen in einem Raum aufrechterhalten wird, in dem ein zur Bogenrichtung longitudinales Magnetfeld und ein elektrisches Feld zur radialen Uberführung der Ionen aus der Bogenentladung in einen benachbarten Trennraum herrschen, in welchem zusätzliche elektrische Felder im Zu-

20

sammenwirken mit dem Magnetfeld den Ionen der verschiedenen Isotope verschiedene Bahnen aufzwingen, so daß die einzelnen Isotope getrennt an Sammelplatten niedergeschlagen werden können, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ionen absaugendes _ag elektrisches Feld von so geringer Feldstärke angewandt wird, daß die Ionen zusammen mit die Raumladung neutralisierenden Elektronen in den Trennraum gelangen und der Stromfluß im Trennraum durch kein Raumladungsfeld behindert wird, sowie daß auf die Ionen im Trennraum Umfangsfelder konstanter Polarität einwirken, deren Kraftlinien in etwa senkrecht zum Lichtbogen stehenden Ebenen konzentrisch zu diesem verlaufen.

2. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Vakuumkammer, in der die Bogenelektroden angebracht sind, von denen eine aus dem Material besteht, dessen Isotope getrennt werden sollen, einem Magneten, der so angebracht ist, daß das Magnetfeld etwa parallel zum Bogen verläuft, einer in der Nähe des Bogens angebrachten Feldelektrode zur Erzeugung des Ionen absaugenden elektrischen Feldes und Sammelplatten am äußeren Umfang der Kammer zur Abscheidung der aus dem Bogen stammenden Ionen, gekennzeichnet _4g durch zusätzliche Eelektroden (71 bis 77 in Fig. 1 bzw. 61, 63, 61', 63' in Fig. 8) zur Erzeugung der Umfangsfeider, zwischen denen elektrische Gleichspannungen herrschen.

3. Einrichtung nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (17, 19) der Vakuumkammer geerdet sind und daß der Trennraum, in welchen die Ionen zusammen mit den die Raumladung neutralisierenden Elektronen aus der Bogenentladung gelangen und in welchem die Umfangsfelder herrschen, gegen die Kammerwände mittels leitender Platten (61, 63, 67, 69) abgeschirmt ist, die ein Undefiniertes Potential bezüglich des Bogens haben, so daß jede Platte das in ihrer Umgebung herrschende Potential annimmt.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Elektroden als leitende Platten (71 bis 77 in Fig. 1 bzw. 201 bis 203 in Fig. 6) ausgebildet sind, die radial zum Lichtbogen verlaufen und zwischen denen Gleichspannungen herrschen, wobei die radialen Abmessungen der Platten groß gegen der. radialen Abstand d?r Plattenkarster vom Bogen sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daG der Trennraum teilweise durch sektorförmige leitende. Platten (61, 63, 61', 63') abgeschirmt ist, die radial ober- und unterhalb des Bogens von der. Bogenelektroden zum Kammerumfang verlaufen und erhebliche Zwischenräume aufweisen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sektorförmigen Platten einander überlappen.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sektorförmigen Platten zwecks Erzeugung der Umfangsfelder im Trennraum abwechselnd an Gleichspannungen entgegengesetzter Polarität liegen (Fig. 8).

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennraum von leitenden Streifen (67, 69) mit erheblichen Zwischenräumen derart zylinderförmig begrenzt wird, daß die Streifen zwei konzentrische Zylinder bilden, die voneinander isoliert und derart seitlich gegeneinander versetzt sind, daß die Zwischenräume des einen Zylinders sich mit den Streifen des anderen Zylinders decken.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Streifen (67, 69) einander überlappen.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen leitenden Streifen (67, 69), welche den die Umfangsfelder erzeugenden Elektroden (71 bis 77, 61 bis 63') unmittelbar benachbart sind, mit der jeweils benachbarten Elektrode galvanisch verbunden sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder leitende Streifen (67, 69) mit den anstoßenden Sektorplatten verbunden ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radial verlaufenden Plattenelektroden in axial verlaufende Streifen (71 a bis 71 d, 73 a bis 73 d, 75a bis 7Sd, 77a bis 77d in Fig. 7) unterteilt sind, die je mit ihren Kanten einander benachbart und voneinander isoliert sind, und daß an entsprechende einander gegenüberstehende Streifen Spannungen angelegt sind, die mit dem radialen Abstand vom Bogen zunehmen.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Kanten aufeinanderfolgender Streifen sich überlappen.

14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennraum durch am Umfang angebrachte radial verlaufende leitende Platten (301 in Fig. 9) abgeschirmt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

φ 909688/209 12.5» ' (009 523/71 5.60)