RU2083267C1 - Method and apparatus for separation of isotopes - Google Patents

Method and apparatus for separation of isotopes Download PDF

Info

Publication number
RU2083267C1
RU2083267C1 RU94042655A RU94042655A RU2083267C1 RU 2083267 C1 RU2083267 C1 RU 2083267C1 RU 94042655 A RU94042655 A RU 94042655A RU 94042655 A RU94042655 A RU 94042655A RU 2083267 C1 RU2083267 C1 RU 2083267C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ions
anode
source
accelerated
radius
Prior art date
Application number
RU94042655A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU94042655A (en
Inventor
А.Г. Зимелев
И.В. Чусов
Д.М. Скабалланович
А.В. Жаринов
Original Assignee
Российский научный центр "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российский научный центр "Курчатовский институт" filed Critical Российский научный центр "Курчатовский институт"
Priority to RU94042655A priority Critical patent/RU2083267C1/en
Publication of RU94042655A publication Critical patent/RU94042655A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2083267C1 publication Critical patent/RU2083267C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: isotope separation. SUBSTANCE: invention relates to the first concentration step of two-step process of radioactive isotope production. Method includes ionization of vapors of substance being separated, acceleration of ions by electrostatic field applied to ion source, separation of accelerated ions according to their masses in uniform magnetic field, and accumulation of isotopes on receivers. In the method, isotopes of peripheral zone of cylindrical plasma source are accelerated in radial direction by agency of electrostatic field in closed cylindrical electron Hall layer having thickness equal to Larmor electron radius. Circular trajectories of accelerated ions in transverse magnetic field and electrical equipotential space are controlled by varying ratio of magnitudes of accelerating voltage and magnetic field strength in such a way that mechanical restriction of heavy ions' displacement occurs along radial coordinate, and that of light ions along longitudinal coordinate. Apparatus of invention constitutes a magnetic system disposed around vacuum chamber enclosing source of accelerated ions with isotope receivers. Source of ions is constructed in the form of two electrodes (cathode and anode) placed on one shaft in vacuum chamber, which function as light ion receivers. Receiver of heavy ions is made in the form of cooled peripheral cylindrical electrode installed coaxially with cathode and anode. When separating calcium isotopes where desired one is 48Ca, to produce 1 g of material containing 99 wt % 48Ca, operation time of the two steps is 460 h and accelerating voltage does not exceed several hundred volts. EFFECT: increased separation degree.

Description

Изобретение относится к способам и устройствам для разделения изотопов и элементов и может быть использовано в качестве первого обогатительного каскада двухкаскадного процесса производства стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов, в качестве однокаскадного процесса разделения изотопов с невысокой степенью обогащения, а также для очистки от примеси посторонних элементов целевого продукта. The invention relates to methods and devices for the separation of isotopes and elements and can be used as the first enrichment cascade of a two-stage process for the production of stable and radioactive isotopes of chemical elements, as a single-stage process for the separation of isotopes with a low degree of enrichment, as well as for cleaning impurities of extraneous elements of the target product.

Известен способ разделения изотопов, включающий ионизацию паров разделяемого вещества, ускорение ионов электростатическим полем в источнике ионов, сепарацию ускоренных ионов по массам в магнитном поле и накопление изотопов на приемниках. A known method for the separation of isotopes, including the ionization of vapors of a separated substance, the acceleration of ions by an electrostatic field in an ion source, the separation of accelerated ions by mass in a magnetic field and the accumulation of isotopes at the receivers.

Недостатком известного способа является небольшая производительность, высокие ускоряющие напряжения и, как следствие, большие энергетические затраты. The disadvantage of this method is the low productivity, high accelerating voltage and, as a consequence, high energy costs.

Известно устройство для разделения изотопов, включающее электроизмерительную систему, магнитную систему, вакуумную камеру, в которой размещены источник ускоренных ионов с системой подачи разделяемого вещества, приемники изотопов. A device for separating isotopes is known, including an electrical measuring system, a magnetic system, a vacuum chamber in which a source of accelerated ions with a system for supplying a shared substance, and isotope receivers are placed.

Известное устройство имеет недостатки, присущие известному способу. The known device has the disadvantages inherent in the known method.

Задачей изобретения является увеличение производительности процесса разделения, снижение энергетических затрат. The objective of the invention is to increase the productivity of the separation process, reducing energy costs.

Это достигается способом разделения изотопов, включающим ионизацию паров разделяемого вещества, ускорение ионов электростатическим полем в источнике ионов, сепарацию ускоренных ионов по массам в однородном магнитном поле и накопление изотопов на приемниках, при этом все изотопы периферийной по радиусу зоны цилиндрического источника плазмы ускоряют в радиальном направлении электростатическим полем в замкнутом цилиндрическом холловском слое электронов толщиной порядка ларморовского радиуса электрона, охватывающем без зазора цилиндрический источник плазмы в присутствии нейтрализующих объемный заряд электронов, а круговые траектории ускоренных ионов в поперечном магнитном поле и электрическом эквипотенциальном пространстве задают, изменяя соотношение величин ускоряющего напряжения и напряженности магнитного поля так, чтобы механическое ограничение перемещения тяжелых ионов происходило по радиальной координате, а легких ионов по продольной, а также чтобы радиус траекторий тяжелых ионов был больше, а радиус траекторий легких ионов был меньше ρкр, где

Figure 00000002
,
R радиус периферийного цилиндрического приемника, см;
r внешний радиус цилиндрического холловского слоя, см.This is achieved by the method of isotope separation, including ionization of the vapors of the substance to be separated, ion acceleration by an electrostatic field in the ion source, mass separation of accelerated ions in a uniform magnetic field, and isotope accumulation at the receivers, while all isotopes of the peripheral radius of the zone of the cylindrical plasma source are accelerated in the radial direction electrostatic field in a closed cylindrical Hall electron layer with a thickness of the order of the Larmor radius of the electron, covering without gap the plasma source in the presence of volume-neutralizing electrons, and the circular trajectories of accelerated ions in a transverse magnetic field and electric equipotential space are set by changing the ratio of the accelerating voltage and magnetic field strength so that the mechanical restriction of the movement of heavy ions occurs along the radial coordinate and light ions along the longitudinal, and also so that the radius of the trajectories of heavy ions is larger and the radius of the trajectories of light ions is less than ρ cr , where
Figure 00000002
,
R is the radius of the peripheral cylindrical receiver, cm;
r is the outer radius of the cylindrical Hall layer, see

Для осуществления способа предложено устройство для разделения изотопов, включающее магнитную систему, расположенную вокруг вакуумной камеры, внутри которой размещены источник ускоренных ионов с системой подачи разделяемого вещества, приемники изотопов, и электроизмерительную схему, при этом источник ионов открытого типа выполнен в виде расположенных в вакуумной камере на общей оси катода и анода двух электродов -приемников легких изотопов, отрицательных относительно анода, выполненных в виде охлаждаемых кольцевых дисков с диаметром внутреннего отверстия, меньшим диаметра катода и анода, и расположенных за пределами разрядного промежутка, а приемник тяжелых ионов выполнен в виде охлаждаемого периферийного цилиндрического электрода, установленного соосно с катодом и анодом и отрицательного относительно анода. To implement the method, a device for separating isotopes is proposed, comprising a magnetic system located around a vacuum chamber, inside of which there is an accelerated ion source with a shared substance supply system, isotope receivers, and an electrical measuring circuit, while the open type ion source is made in the form located in a vacuum chamber on the common axis of the cathode and anode of two electrodes-receivers of light isotopes negative relative to the anode, made in the form of cooled annular disks with a diameter m of the inner hole smaller than the diameter of the cathode and anode, and located outside the discharge gap, and the heavy ion receiver is made in the form of a cooled peripheral cylindrical electrode mounted coaxially with the cathode and anode and negative relative to the anode.

Высокая производительность обусловлена использованием безэлектродного способа ускорения ионов в замкнутом слое электронов, что позволяет использовать всю эмиттирующую поверхность и работать при плотностях тока много выше тех, которые могут быть достигнуты при электродном ускорении в ионно-оптической системе. High performance is due to the use of an electrodeless method of ion acceleration in a closed electron layer, which allows you to use the entire emitting surface and work at current densities much higher than those that can be achieved with electrode acceleration in an ion-optical system.

В источниках такого типа в продольном магнитном поле создается плазма, ионы из которой ускоряются в замкнутом слое электронов, удерживаемых магнитным полем и создающих требуемую разность потенциалов между границей плазмы и слоем, принимающим потенциал торцевых электродов. Plasma is created in sources of this type in a longitudinal magnetic field, ions from which are accelerated in a closed layer of electrons held by a magnetic field and creating the required potential difference between the plasma boundary and the layer receiving the potential of the end electrodes.

Использована модифицированная двухступенчатая конструкция источника ионов, в которой плазма создается дуговым разрядом с накаленным катодом в продольном магнитном поле, использована аксиальная система запуска пара по всей длине источника, а в качестве эмиттера ионов использована образующая открытого (без материальных стенок) цилиндрического плазменного столба. A modified two-stage design of the ion source is used, in which the plasma is generated by an arc discharge with a glowing cathode in a longitudinal magnetic field, an axial steam launch system is used along the entire length of the source, and an open (without material walls) cylindrical plasma column is used as an ion emitter.

Ионы из плазмы, стартуя в радиальных направлениях во все стороны в пределах 2π, ускоряются в слое до энергии в нескольких сотен вольт и, попадая в эквипотенциальное пространство с этой энергией, описывают в поперечном магнитном поле круговые траектории с радиусом

Figure 00000003
,
где ρ радиус круговых траекторий иона, см;
Uу ускоряющее напряжение, В;
M массовое число иона;
H напряженность магнитного поля, Э.Ions from plasma, starting in radial directions in all directions within 2π, are accelerated in the layer to an energy of several hundred volts and, falling into an equipotential space with this energy, describe circular trajectories with a radius in a transverse magnetic field
Figure 00000003
,
where ρ is the radius of the circular trajectories of the ion, cm;
U y accelerating voltage, V;
M is the mass number of the ion;
H magnetic field, E.

Для каждого значения и выбранных размеров устройства, изменяя величины ускоряющего напряжения Uу и напряженности магнитного поля H, задают радиус круговых траекторий ионов тяжелого изотопа rт>ρкр, определяемое соотношением (1) с тем, чтобы сбор этой группы изотопов происходил на цилиндрическом периферийном приемнике, а легкие изотопы, двигаясь по траекториям с радиусом ρл>ρкр, совершали радиально-азимутальные колебания и дрейфуя вдоль магнитного поля, собирались на двух приемниках, расположенных за пределами разрядного промежутка по торцам устройства.For each value and the selected dimensions of the device, changing the values of the accelerating voltage U y and the magnetic field strength H, specify the radius of the circular trajectories of the heavy isotope ions r t > ρ cr determined by relation (1) so that this group of isotopes is collected on a cylindrical peripheral receiver and light isotopes, moving along trajectories of radius ρ l> ρ cr, made radially azimuthal fluctuations and drifting of the magnetic field were collected at the two receivers located outside of the discharge gap n the ends of the device.

На фиг. 1 изображено схематическое устройство для разделения изотопов, где 1 разрядный промежуток, 2 холловский электронный слой, 3 и 4 - периферийный и торцевые приемники соответственно (системы охлаждения не показаны), 5 катодный узел с подогревом, 6 анод, 7 система подачи разделяемого вещества. Магнитное поле, направленное вдоль оси устройства, создается соленоидом 8, откачка системы производится через патрубок 10. In FIG. 1 shows a schematic device for isotope separation, where 1 discharge gap, 2 Hall electronic layer, 3 and 4 are peripheral and end receivers, respectively (cooling systems not shown), 5 cathode assembly with heating, 6 anode, 7 shared material supply system. A magnetic field directed along the axis of the device is created by a solenoid 8, the system is pumped out through a pipe 10.

На фиг. 2 представлен способ разделения, где 9 траектории ионов. In FIG. 2 shows a separation method, where 9 are ion paths.

Способ разделения изотопов обеспечивается следующим образом: разделяемое рабочее вещество загружается в систему подачи разделяемого вещества 7, представляющую собой подогреваемый тигель, и в виде пара подается в горячий парораспределитель. После подачи разрядного напряжения Uу между накаленным катодом 5 и анодом 6 в разрядном промежутке 1 загорается разряд. Подача ускоряющего напряжения Uу на электроды 4 при наличии плазмы в разрядном промежутке 1 приводит к возникновению слоя, в котором ионы ускоряются до напряжения Uу в несколько сотен вольт, и, попадая в эквипотенциальное пространство с этой энергией, описывают в поперечном магнитном поле круговые траектории 9 с радиусом, определяемым формулой (2). При этом траектория с радиусом ρкр, определяемым формулой (1), граничная, по которой ионы еще могут попасть на периферийный приемник 3 при заданных Uу и H. Все траектории ионов большей массы пересекают поверхность приемника 3 и ионы конденсируются на нем, а ионы меньшей массы, двигаясь по окружности с радиусом ρл>ρкр, не достигают периферийного приемника и, совершая конечное число радиально-азимутальных колебаний, дрейфуют вдоль магнитного поля на один из торцевых приемников 4.The method of isotope separation is provided as follows: the shared working substance is loaded into the supply system of the divided substance 7, which is a heated crucible, and in the form of steam is fed into a hot steam distributor. After applying the discharge voltage U y between the heated cathode 5 and the anode 6 in the discharge gap 1, the discharge lights up. The supply of the accelerating voltage U y to the electrodes 4 in the presence of plasma in the discharge gap 1 leads to the formation of a layer in which ions are accelerated to a voltage U y of several hundred volts, and getting into an equipotential space with this energy, they describe circular trajectories in a transverse magnetic field 9 with a radius defined by formula (2). In this case, the trajectory with a radius ρ cr defined by formula (1) is the boundary along which ions can still reach the peripheral receiver 3 for given U у and H. All trajectories of ions of greater mass intersect the surface of receiver 3 and ions condense on it, and ions of smaller mass, moving in a circle with a radius ρ l > ρ cr , do not reach the peripheral receiver and, making a finite number of radially azimuthal oscillations, drift along the magnetic field to one of the end receivers 4.

В качестве примера рассмотрим задачу разделения изотопов Ca, в которой целевым изотопом является Ca48. При двухкаскадной схеме разделения, где роль первого каскада играет предлагаемая схема, а во втором каскаде работает классический электромагнитный метод, для получения в конце процесса 1 г с содержанием 99 потребуется
1 Каскад
Время работы 230 ч (9,6 сут)
Количество исходного продукта 8,57 кг
Количество обогащенного продукта с содержанием 6 Ca48 46,4 г
Ионный ток в пучке 30,8 А
2 Каскад
Время работы 230 ч (9,6 сут)
Количество исходного продукта 46,4 г
Количество разделенного изотопа Ca48 с содержанием 99 1 г
Ионный ток в двух лучах 150 мА
Суммарное время работы двух каскадов 460 ч. При однокаскадном разделении на электромагнитной установке изотоп Ca48 содержанием 99 в количестве 1 г может быть получен из необогащенного сырья за 7400 ч (10,3 мес.). Таким образом, получаем выигрыш в производительности в 15 раз.As an example, we consider the problem of separating Ca isotopes, in which Ca 48 is the target isotope. With a two-stage separation scheme, where the proposed scheme plays the role of the first stage, and the classical electromagnetic method works in the second stage, to obtain 1 g with a content of 99 at the end of the process
1 Cascade
Operating time 230 h (9.6 days)
The amount of the starting product 8.57 kg
Amount of enriched product with a content of 6 Ca 48 46.4 g
Ion beam current 30.8 A
2 Cascade
Operating time 230 h (9.6 days)
The amount of the starting product 46.4 g
The amount of the separated Ca 48 isotope with a content of 99 1 g
Two-beam ion current 150 mA
The total operating time of the two cascades is 460 hours. With a single-stage separation in an electromagnetic installation, the Ca 48 isotope of 99 in the amount of 1 g can be obtained from raw materials in 7400 hours (10.3 months). Thus, we get a performance gain of 15 times.

Преимуществом описанного процесса является то, что двухступенчатый радиальный ускоритель с анодным слоем в качестве источника ускоренных ионов позволяет осуществлять процесс разделения на уровне токов на порядок выше предельного значения, достигаемого в источниках ионов с щелевой ионно-оптической системой, применяемых в электромагнитных сепараторах, при этом ускоряющее напряжение не превышает нескольких сотен вольт. Тем самым обеспечивается высокая производительность и экономичность процесса. An advantage of the described process is that a two-stage radial accelerator with an anode layer as a source of accelerated ions allows the separation process at the current level to be an order of magnitude higher than the limit reached in ion sources with a slit ion-optical system used in electromagnetic separators, while accelerating voltage does not exceed several hundred volts. This ensures high productivity and efficiency of the process.

Claims (2)

1. Способ разделения изотопов, включающий ионизацию паров разделяемого вещества, ускорение ионов электростатическим полем в источнике ионов, сепарацию ускоренных ионов по массам в магнитном поле и накопление изотопов на приемниках, отличающийся тем, что ионы периферийной по радиусу зоны цилиндрического источника плазмы ускоряют в радиальном направлении электростатическим полем в замкнутом цилиндрическом холловском слое электронов толщиной порядка ларморовского радиуса электрона, охватывающем без зазора цилиндрический источник плазмы в присутствии нейтрализующих объемный заряд электронов, а круговые траектории ускоренных ионов в поперечном магнитном поле и электрическом эквипотенциальном пространстве задают, изменяя соотношение величин ускоряющего напряжения и напряженности магнитного поля так, чтобы механическое ограничение перемещения тяжелых ионов происходило по радиальной координате, а легких ионов по продольной, при этом радиус траекторий тяжелых ионов был больше, а радиус траекторий легких ионов был меньше
Figure 00000004

где R радиус периферийного цилиндрического приемника, см;
r внешний радиус цилиндрического холловского слоя, см.1. A method of isotope separation, including ionization of the vapor of the substance to be separated, acceleration of ions by an electrostatic field in an ion source, separation of accelerated ions by mass in a magnetic field and isotope accumulation at the receivers, characterized in that the ions of the peripheral radius of the zone of the cylindrical plasma source are accelerated in the radial direction electrostatic field in a closed cylindrical Hall electron layer with a thickness of the order of the Larmor radius of the electron, covering without a gap a cylindrical source of Zones in the presence of volume-neutralizing electrons, and the circular trajectories of accelerated ions in a transverse magnetic field and electric equipotential space are set by changing the ratio of the accelerating voltage and magnetic field strength so that the mechanical restriction of the movement of heavy ions occurs along the radial coordinate and light ions along the longitudinal while the radius of the trajectories of heavy ions was larger, and the radius of the trajectories of light ions was smaller
Figure 00000004

where R is the radius of the peripheral cylindrical receiver, cm;
r is the outer radius of the cylindrical Hall layer, see 2. Устройство для разделения изотопов, включающее электроизмерительную систему, магнитную систему, вакуумную камеру, внутри которой размещены источник ускоренных ионов с системой подачи разделяемого вещества, приемники изотопов, отличающееся тем, что источник ионов открытого типа выполнен в виде расположенных в вакуумной камере на общей оси катода и анода, двух электродов приемников легких изотопов, отрицательных относительно анода, выполненных в виде охлаждаемых кольцевых дисков с диаметром внутреннего отверстия, меньшим диаметров катода и анода, и расположенных за пределами разрядного промежутка, а приемник тяжелых изотопов выполнен в виде охлаждаемого периферийного цилиндрического электрода, установленного соосно с катодом и анодом и отрицательного относительно анода. 2. A device for separating isotopes, including an electrical measuring system, a magnetic system, a vacuum chamber, inside which there is a source of accelerated ions with a feed system of a separable substance, isotope receivers, characterized in that the source of open ions is made in the form located in a vacuum chamber on a common axis cathode and anode, two electrodes of light isotope receivers negative relative to the anode, made in the form of cooled annular disks with an inner hole diameter smaller than the diameters of the anode and anode, and located outside the discharge gap, and the receiver of heavy isotopes is made in the form of a cooled peripheral cylindrical electrode mounted coaxially with the cathode and anode and negative relative to the anode.
RU94042655A 1994-11-22 1994-11-22 Method and apparatus for separation of isotopes RU2083267C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94042655A RU2083267C1 (en) 1994-11-22 1994-11-22 Method and apparatus for separation of isotopes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94042655A RU2083267C1 (en) 1994-11-22 1994-11-22 Method and apparatus for separation of isotopes

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU94042655A RU94042655A (en) 1996-09-20
RU2083267C1 true RU2083267C1 (en) 1997-07-10

Family

ID=20162825

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU94042655A RU2083267C1 (en) 1994-11-22 1994-11-22 Method and apparatus for separation of isotopes

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2083267C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2469776C1 (en) * 2011-08-12 2012-12-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ГОУ ИрГТУ) Method of panoramic plasma mass-separation and device for method of panoramic plasma mass-separation (versions)
RU2481668C2 (en) * 2007-06-22 2013-05-10 Симадзу Корпорейшн Multi-reflection ion-optical device

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115814598A (en) * 2023-02-20 2023-03-21 北京核力同创科技有限公司 Method and system for separating calcium isotopes based on isotope electromagnetic separator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Арцимович Л.А. и др. Атомная энергия. - 1957, т. 3, N 12, с. 483 - 491. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2481668C2 (en) * 2007-06-22 2013-05-10 Симадзу Корпорейшн Multi-reflection ion-optical device
RU2469776C1 (en) * 2011-08-12 2012-12-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ГОУ ИрГТУ) Method of panoramic plasma mass-separation and device for method of panoramic plasma mass-separation (versions)

Also Published As

Publication number Publication date
RU94042655A (en) 1996-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6583544B1 (en) Ion source having replaceable and sputterable solid source material
JP2648235B2 (en) Ion gun
US6251281B1 (en) Negative ion filter
GB1270619A (en) Method of and apparatus for accelerating particles
JPH0418662B2 (en)
US4541890A (en) Hall ion generator for working surfaces with a low energy high intensity ion beam
US20030183581A1 (en) Plasma mass filter with axially opposed plasma injectors
US5162699A (en) Ion source
EP0291185B1 (en) Improved ion source
US4703180A (en) Microwave discharge type ion source for ion injection devices
RU2083267C1 (en) Method and apparatus for separation of isotopes
US3890535A (en) Ion sources
US4891525A (en) SKM ion source
CN113643950B (en) Apparatus and method for generating alkali metal or halogen doped coupled gas cluster ion beam
RU2405619C1 (en) Method of separating isotopes and device for realising said method
Belchenko et al. Development of surface-plasma negative ions sources at the Budker Institute of nuclear physics
US3268758A (en) Hollow gas arc discharge device utilizing an off-center cathode
EP0000843A1 (en) Plasma discharge ion source
US2894136A (en) Ion source
RU2681524C1 (en) Plasma-optic mass separator ions beam generation method and device for its implementation
US2712079A (en) Calutron
DE2037030C1 (en) Device for the separation of isotopes by centrifugal forces
Delmore et al. An autoneutralizing neutral molecular beam gun
US20240038490A1 (en) Method for setting gap between cathode and filament
CN114540783B (en) Efficient ionized ion implantation method