RU2147458C1

RU2147458C1 - Method for mass separation of charged particles

Info

Publication number: RU2147458C1
Application number: RU98109222A
Authority: RU
Inventors: В.Т. Доронин
Original assignee: Алтайский государственный технический университет им.И.И.Ползунова
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 2000-04-20

Abstract

FIELD: nuclear technology. SUBSTANCE: mixture of charged particles is formed by means of ionization in ionization chamber and electrostatic field is used to draw out this mixture from the chamber. Charged particles are then separated by magnetic field and received in charged particles' receiver. Magnetic separation is accomplished through action of magnetic barriers of static and controlled magnetic field by way of replacing barriers by other ones or by changing the shape of barriers as well as when changing position of magnetic barriers depending on the mass of charged particles to be separated. Magnetic barriers are elevated values of magnetic induction in extended space regions. These barriers can be formed by allowing electric currents to flow over hollow conductors or hollow superconductors and also by using coils with spatially extended cores. Separation of particles take place when the latter move in magnetic field. EFFECT: increased separation selectivity. 6 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования при разделении заряженных частиц по массам, а также может быть использовано для разделения заряженных частиц по скоростям, импульсам, зарядам, энергиям, для выделения изотопов из их естественной смеси и для изотопного анализа смеси. The present invention relates to nuclear engineering and is intended for use in the separation of charged particles by mass, and can also be used to separate charged particles by speed, momentum, charge, energy, to isolate isotopes from their natural mixture and for isotopic analysis of the mixture.

Известен электромагнитный способ разделения заряженных частиц по массам, в котором одновременно с ускорением ионов различного типа осуществляют их селекцию /И.А. Кащеев, В.А. Дергачев. Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ. - М.: Энергоатомиздат. 1989/. Способ включает формирование смеси ионов, вытягивание смеси ионов, последующее разделение ионов в сформированном электростатическом поле с продольной и радиальной составляющими вектора напряженности и в статическом магнитном поле, пространственно совмещенном с электрическим, а также прием заряженных частиц. A known electromagnetic method for separating charged particles by mass, in which simultaneously with the acceleration of ions of various types carry out their selection / I.A. Kashcheev, V.A. Dergachev. Electromagnetic separation of isotopes and isotope analysis. - M .: Energoatomizdat. 1989 /. The method includes forming a mixture of ions, drawing out a mixture of ions, the subsequent separation of ions in a formed electrostatic field with longitudinal and radial components of the tension vector and in a static magnetic field spatially combined with an electric field, as well as receiving charged particles.

Недостатками электромагнитного способа разделения заряженных частиц по массам являются низкая селективность разделения заряженных частиц по массам и ограниченная возможность управления пучками заряженных частиц. The disadvantages of the electromagnetic method of separation of charged particles by mass are the low selectivity of separation of charged particles by mass and the limited ability to control beams of charged particles.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является способ разделения заряженных частиц по массам, по которому разделение заряженных частиц производят путем воздействия магнитных барьеров статического магнитного поля (см. патент РФ на изобретение N 2098170 C1, 10.12.97, B 01 D 59/48, 6 стр., по заявке N 96112703/25 (018973) с приоритетом от 25.06.96 г., МПК⁶ B 01 D 59/48). Способ разделения заряженных частиц по массам включает формирование смеси заряженных частиц путем ионизации в ионизационной камере, вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц из ионизационной камеры, разделение заряженных частиц путем воздействия магнитных барьеров статического магнитного поля и прием разделенных заряженных частиц в приемник заряженных частиц.The closest in technical essence and the achieved result (prototype) to the claimed invention is a method of separation of charged particles by mass, in which the separation of charged particles is carried out by exposure to magnetic barriers of a static magnetic field (see RF patent for the invention N 2098170 C1, 10.12.97, B 01 D 59/48, 6 pp., According to the application N 96112703/25 (018973) with a priority of 06.25.96, IPC ⁶ B 01 D 59/48). A method for separating charged particles by mass involves forming a mixture of charged particles by ionization in an ionization chamber, drawing an electric field of a mixture of charged particles from the ionization chamber, separating charged particles by exposure to magnetic barriers of a static magnetic field, and receiving the separated charged particles into a charged particle receiver.

Основным недостатком описанного способа разделения заряженных частиц по массам является невысокая селективность при разделении заряженных частиц по массам вследствие ограниченных возможностей расщепления пучков изотопных ионов, т. е. использование этого способа не позволяет выполнять следующие операции по управлению траекториями заряженных частиц. The main disadvantage of the described method for separating charged particles by mass is the low selectivity in the separation of charged particles by mass due to the limited possibilities of splitting the isotopic ion beams, i.e., using this method does not allow the following operations to control the trajectories of charged particles.

1. Отпускать оба пучка заряженных частиц в любой точке орбиты с единой круговой орбиты на единую прямолинейную траекторию;
2. Отпускать оба пучка заряженных частиц одновременно с единой круговой орбиты на различные прямолинейные траектории или сначала отпускать тяжелые заряженные частицы, а затем отпускать легкие заряженные частицы;
3. Отпускать пучок тяжелых заряженных частиц в любой точке с круговой орбиты, отдельной от орбиты легких заряженных частиц, на прямолинейную траекторию, оставляя пучок легких заряженных частиц на круговой орбите;
4. Отпускать оба пучка заряженных частиц с различных круговых орбит на различные прямолинейные траектории в любой точке соответствующей круговой орбиты;
5. Отпускать оба пучка заряженных частиц с различных круговых орбит на единую прямолинейную траекторию в любой точке круговой орбиты для тяжелых заряженных частиц;
6. Направлять любой пучок заряженных частиц по любой заранее заданной траектории.1. Release both beams of charged particles at any point in the orbit from a single circular orbit into a single straight trajectory;
2. Release both beams of charged particles simultaneously from a single circular orbit into different straight trajectories or first release heavy charged particles, and then release light charged particles;
3. Release the beam of heavy charged particles at any point from a circular orbit separate from the orbit of light charged particles onto a straight path, leaving the beam of light charged particles in a circular orbit;
4. To release both beams of charged particles from different circular orbits to different rectilinear trajectories at any point in the corresponding circular orbit;
5. Release both beams of charged particles from different circular orbits onto a single straight trajectory at any point in the circular orbit for heavy charged particles;
6. Direct any beam of charged particles along any predetermined path.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе разделения заряженных частиц по массам, включающем формирование смеси заряженных частиц путем ионизации в ионизационной камере, вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц из ионизационной камеры, разделение заряженных частиц путем воздействия магнитных барьеров статического магнитного поля и прием разделенных заряженных частиц, разделение заряженных частиц производят путем воздействия магнитных барьеров статического или регулируемого магнитного поля при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения магнитных барьеров в зависимости от массы разделяемых заряженных частиц. The essence of the invention lies in the fact that in the method of separation of charged particles by mass, including the formation of a mixture of charged particles by ionization in an ionization chamber, drawing an electric field of a mixture of charged particles from the ionization chamber, separation of charged particles by exposure to magnetic barriers of a static magnetic field and receiving separated charged particles, the separation of charged particles is carried out by exposure to magnetic barriers of a static or controlled magnetic field when replacing are other barriers, or when the form barriers, or by changing the position of magnetic barriers depending on the mass of the charged particles separated.

Техническим результатом является повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам. The technical result is to increase the selectivity in the separation of charged particles by mass.

Повышение селективности при разделении заряженных частиц обеспечивается вследствие увеличения возможностей расщепления пучков заряженных частиц, так как разделение заряженных частиц производят путем воздействия магнитных барьеров статического или регулируемого магнитного поля при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения магнитных барьеров в зависимости от массы разделяемых заряженных частиц. Воздействие магнитных барьеров статического или регулируемого магнитного поля при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения магнитных барьеров позволяет осуществлять следующие, не известные ранее из уровня техники, операции по управлению траекториями заряженных частиц. The increase in selectivity in the separation of charged particles is ensured by increasing the possibilities of splitting the beams of charged particles, since the separation of charged particles is carried out by exposure to magnetic barriers of a static or controlled magnetic field when replacing some barriers with others, or when changing the shape of the barriers, or when changing the position of the magnetic barriers depending from the mass of shared charged particles. The influence of magnetic barriers of a static or controlled magnetic field when replacing some barriers with others, or when changing the shape of the barriers, or when changing the position of the magnetic barriers allows the following operations, unknown before the prior art, to control the trajectories of charged particles.

1. Отпускать оба пучка заряженных частиц в любой точке орбиты с единой круговой орбиты на единую прямолинейную траекторию. 1. Release both beams of charged particles at any point in the orbit from a single circular orbit to a single straight trajectory.

2. Отпускать оба пучка заряженных частиц одновременно с единой круговой орбиты на различные прямолинейные траектории или сначала отпускать тяжелые заряженные частицы, а затем отпускать легкие заряженные частицы. 2. Release both beams of charged particles simultaneously from a single circular orbit into different straight paths or first release heavy charged particles, and then release light charged particles.

3. Отпускать пучок тяжелых заряженных частиц в любой точке с круговой орбиты, отдельной от орбиты легких заряженных частиц, на прямолинейную траекторию, оставляя пучок легких заряженных частиц на круговой орбите. 3. Release the beam of heavy charged particles at any point from a circular orbit separate from the orbit of light charged particles onto a straight path, leaving the beam of light charged particles in a circular orbit.

4. Отпускать оба пучка заряженных частиц с различных круговых орбит на различные прямолинейные траектории в любой точке соответствующей круговой орбиты. 4. Release both beams of charged particles from different circular orbits to different rectilinear trajectories at any point on the corresponding circular orbit.

5. Отпускать оба пучка заряженных частиц с различных круговых орбит на единую прямолинейную траекторию в любой точке круговой орбиты для тяжелых заряженных частиц. 5. Release both beams of charged particles from different circular orbits into a single rectilinear trajectory at any point in the circular orbit for heavy charged particles.

6. Направлять любой пучок заряженных частиц по любой заранее заданной траектории. 6. Direct any beam of charged particles along any predetermined path.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен график зависимости 1 центробежной силы от радиуса круговой орбиты моноэнергетических заряженных частиц и изображены графики зависимостей 2 и 3 сил Лоренца, действующих на моноэнергетические заряженные частицы в магнитном поле, от радиуса круговой орбиты заряженных частиц. На фиг. 2 изображены кривая линия 4, показывающая зависимость центробежной силы от радиуса орбиты и последовательно пересекающая зависимость силы Лоренца для легкой заряженной частицы, т.е. кривую линию 5, кривую линию 6 для средней по массе заряженной частицы и кривую линию 7 для тяжелой заряженной частицы. На фиг. 2 показано распределение трех пучков заряженных частиц по трем ступенчатым магнитным барьерам. На фиг. 3 изображены графики зависимостей 8 и 9 сил Лоренца, действующих на односкоростные заряженные частицы в магнитном поле, от радиуса круговой орбиты заряженных частиц, и изображена зависимость 10 центробежной силы от радиуса круговой орбиты односкоростных заряженных частиц. На фиг. 4 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц, на фиг. 5 - вид снизу сепаратора заряженных частиц, на фиг. 6 - вертикальный разрез сепаратора заряженных частиц. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. Figure 1 shows a graph of the dependence of 1 centrifugal force on the radius of the circular orbit of monoenergetic charged particles and graphs of the dependences of 2 and 3 Lorentz forces acting on monoenergetic charged particles in a magnetic field on the radius of the circular orbit of charged particles. In FIG. 2 shows a curve line 4, showing the dependence of the centrifugal force on the radius of the orbit and sequentially crossing the dependence of the Lorentz force for a light charged particle, i.e. a curved line 5, a curved line 6 for an average weighted charged particle, and a curved line 7 for a heavy charged particle. In FIG. Figure 2 shows the distribution of three beams of charged particles over three step magnetic barriers. In FIG. Figure 3 shows graphs of the dependences of 8 and 9 Lorentz forces acting on single-speed charged particles in a magnetic field on the radius of the circular orbit of charged particles, and shows the dependence of 10 centrifugal forces on the radius of the circular orbit of single-speed charged particles. In FIG. 4 shows a general view of a device for separating charged particles, FIG. 5 is a bottom view of a charged particle separator; FIG. 6 is a vertical section of a charged particle separator.

Способ разделения заряженных частиц по массам осуществляют следующим образом. Предварительно осуществляют формирование смеси заряженных частиц путем ионизации в ионизационной камере и вытягивание электрическим полем смеси заряженных частиц из ионизационной камеры. Последующее разделение заряженных частиц производят путем воздействия магнитных барьеров магнитного поля, изогнутых по дугам круговых орбит заряженных частиц. Для разделения заряженных частиц используют статическое или регулируемое магнитное поле, имеющее особую топографию. Особенностью топографии магнитного поля для разделения заряженных частиц является наличие магнитных барьеров. Магнитные барьерами являются повышенные значения магнитной индукции в протяженных областях пространства. Магнитные барьеры получают с помощью электрических токов, протекающих по полым проводникам или по полым сверхпроводникам. Магнитные барьеры можно получить также путем использования катушек с протяженными в пространстве сердечниками магнитных катушек. Разделение заряженных частиц осуществляют во время их полета в магнитном поле. Заряженные частицы направляют к магнитному барьеру под минимальным углом. Разделение заряженных частиц производят путем воздействия магнитных барьеров статического или регулируемого магнитного поля при замене одних барьеров другими, или при изменении формы барьеров, или при изменении положения магнитных барьеров в зависимости от массы разделяемых заряженных частиц. Магнитные барьеры магнитного поля получают протяженными вдоль траекторий заряженных частиц. Высоту, ширину и длину магнитного барьера выбирают достаточными для удержания заряженных частиц на круговой орбите. Заряженные частицы вынуждены перемещаться вдоль тех магнитных барьеров, которые оказываются на их пути. Необходимое расщепление одного пучка заряженных частиц на два пучка определяется не только величиной магнитной индукции вдоль пути заряженных частиц, но и положением расщепленных магнитных барьеров в пространстве, при достаточной величине магнитной индукции барьеров и при соответствующих формах магнитных барьеров. Единая орбита смеси заряженных частиц и радиус орбиты определяется не величиной магнитной индукции вдоль пути заряженных частиц, а положением магнитного барьера в пространстве, при достаточной величине магнитной индукции барьера. Для полной реализации возможностей магнитных барьеров при корректировке движения частиц по траектории и при разделении N числа моноэнергетических или N числа односкоростных заряженных частиц требуется N магнитных барьеров магнитного поля. Для разделения N числа моноэнергетических или N числа односкоростных заряженных частиц можно использовать (N-1) барьеров магнитной индукции, но в этом случае пучок наиболее тяжелых заряженных частиц удобнее не удерживать магнитным барьером, удобнее отпустить пучок на прямолинейную траекторию. При этом теряется возможность управления положением спрямленного пучка наиболее тяжелых заряженных частиц. Возможность управления другими пучками, максимальное число которых может достигать числа (N-1), заряженных частиц сохраняется. Для разделения заряженных частиц по массам необходимо воздействие магнитным барьером, высота которого уменьшается по мере удаления от центра круговой орбиты частицы. Крутизна уменьшения высоты магнитного барьера в его поперечном сечении зависит от крутизны уменьшения центробежной силы, действующей на частицу большей массы в момент перехода частицы на большую орбиту. Каждый из расщепленных магнитных барьеров имеет по всей длине постоянную высоту при постоянном радиусе изгиба магнитного барьера. Для разделения заряженных частиц по массам используют также магнитный барьер, имеющий по ходу частиц уменьшающуюся высоту при постоянном радиусе изгиба магнитного барьера, или применяют магнитный барьер, имеющий постоянную высоту по всей длине барьера при уменьшающемся радиусе изгиба магнитного барьера Разделение бинарной смеси заряженных частиц осуществляют в магнитном поле, имеющем один или несколько протяженных в пространстве магнитных барьеров. После разделения заряженных частиц по массам осуществляют прием заряженных частиц в приемники заряженных частиц. Поперечное сечение одного магнитного барьера на фиг. 1 изображается в виде пика зависимости магнитной индукции от радиуса орбиты заряженных частиц или в виде пиков зависимостей сил Лоренца от радиуса орбиты заряженных частиц. Поперечное сечение нескольких магнитных барьеров магнитного поля изображается в виде чередующихся пиков и провалов на зависимости магнитной индукции от радиуса орбиты заряженных частиц или в виде чередующихся пиков и провалов на зависимостях сил Лоренца от радиуса орбиты заряженных частиц. Чередующиеся пики и провалы на зависимости магнитной индукции от радиуса орбиты изотопных ионов соответствуют чередующимся максимумам и минимумам магнитной индукции. Чередующиеся пики и провалы на зависимостях сил Лоренца от радиуса орбиты заряженных частиц соответствуют чередующимся максимумам и минимумам сил Лоренца. Каждый максимум индукции дает столько максимумов сил Лоренца, сколько имеется сортов разделяемых заряженных частиц. На фиг. 1 кривая линия 1 относится к центробежной силе, кривая линия 2 отражает уровень силы Лоренца для легкой, быстрой заряженной частицы, а кривая линия 3 характеризует уровень силы Лоренца для тяжелой, медленной заряженной частицы. При достаточно высоких пиках сил Лоренца, т.е. при пиках выше кривой линии 1, обе заряженные частицы могут пролетать по орбитам, имеющим малые радиусы. При снижении высоты пиков сил Лоренца тяжелая заряженная частица уходит с малой мгновенной орбиты на большую, а легкая заряженная частица остается на прежней, малой орбите. При дальнейшем уменьшении значения магнитной индукции линия силы Лоренца для легкой заряженной частицы (фиг. 1) не пересекает линию центробежной силы, и легкая заряженная частица тоже сходит с малой орбиты на большую. Регулируемое магнитное поле позволяет разводить магнитные барьеры или сводить их, позволяет расщеплять пучки заряженных частиц или сводить их вместе, позволяет уводить пики сил Лоренца в одну или другую сторону, уводить этим в одну или другую сторону пучки разделяемых заряженных частиц. Для разделения N числа заряженных частиц требуется N магнитных барьеров магнитного поля, требуется N пиков магнитной индукции. При этом получается N пиков сил Лоренца. Для разделения N числа заряженных частиц можно использовать (N-1) магнитных барьеров магнитного поля, использовать (N-1) пиков магнитной индукции, тогда поучается N(N-1) пиков сил Лоренца. В этом случае пучок наиболее тяжелых заряженных частиц удобнее не удерживать магнитным барьером магнитного поля, т.е. пучком самых тяжелых заряженных частиц удобнее не управлять, а управлять другими пучками. The method of separation of charged particles by mass is as follows. Preliminarily, a mixture of charged particles is formed by ionization in an ionization chamber and an electric field pulls a mixture of charged particles from the ionization chamber. Subsequent separation of charged particles is carried out by exposure to magnetic barriers of a magnetic field, curved along the arcs of circular orbits of charged particles. For the separation of charged particles using a static or adjustable magnetic field having a special topography. A feature of the topography of the magnetic field for the separation of charged particles is the presence of magnetic barriers. Magnetic barriers are elevated values of magnetic induction in extended areas of space. Magnetic barriers are obtained using electric currents flowing through hollow conductors or through hollow superconductors. Magnetic barriers can also be obtained by using coils with spatially extended cores of magnetic coils. The separation of charged particles is carried out during their flight in a magnetic field. Charged particles are directed to the magnetic barrier at a minimum angle. The separation of charged particles is carried out by exposure to magnetic barriers of a static or controlled magnetic field when one of the barriers is replaced by another, or when the shape of the barriers changes, or when the position of the magnetic barriers changes, depending on the mass of the charged particles being separated. Magnetic magnetic field barriers get extended along the trajectories of charged particles. The height, width and length of the magnetic barrier are chosen sufficient to hold the charged particles in a circular orbit. Charged particles are forced to move along those magnetic barriers that are in their path. The necessary splitting of one beam of charged particles into two beams is determined not only by the magnitude of the magnetic induction along the path of the charged particles, but also by the position of the split magnetic barriers in space, with a sufficient magnitude of the magnetic induction of the barriers and with the corresponding forms of magnetic barriers. The single orbit of a mixture of charged particles and the radius of the orbit are determined not by the magnitude of the magnetic induction along the path of the charged particles, but by the position of the magnetic barrier in space, with a sufficient magnetic induction of the barrier. For the full realization of the capabilities of magnetic barriers when adjusting the particle motion along the trajectory and when dividing N of the number of monoenergetic or N of the number of single-speed charged particles, N magnetic barriers of the magnetic field are required. To separate the N number of monoenergetic or N number of single-speed charged particles, one can use (N-1) barriers of magnetic induction, but in this case it is more convenient not to hold the beam of the heaviest charged particles by the magnetic barrier, it is more convenient to let the beam go on a straight path. In this case, the ability to control the position of the rectified beam of the heaviest charged particles is lost. The ability to control other beams, the maximum number of which can reach the number (N-1), of charged particles is preserved. To separate charged particles by mass, it is necessary to act with a magnetic barrier, the height of which decreases with distance from the center of the particle’s circular orbit. The steepness of decreasing the height of the magnetic barrier in its cross section depends on the steepness of decreasing the centrifugal force acting on a particle of a larger mass at the moment the particle enters a larger orbit. Each of the split magnetic barriers has a constant height along the entire length with a constant bending radius of the magnetic barrier. To separate charged particles by mass, a magnetic barrier is also used, having a decreasing height along the particles with a constant bending radius of the magnetic barrier, or a magnetic barrier is used, which has a constant height along the entire length of the barrier with a decreasing bending radius of the magnetic barrier. The binary mixture of charged particles is separated in a magnetic a field having one or more magnetic barriers extended in space. After separation of the charged particles by mass, charged particles are received at charged particle receivers. The cross section of one magnetic barrier in FIG. 1 is shown as a peak in the dependence of magnetic induction on the radius of the orbit of charged particles or as peaks of the dependence of the Lorentz forces on the radius of the orbit of charged particles. The cross section of several magnetic barriers of the magnetic field is depicted in the form of alternating peaks and dips on the dependence of magnetic induction on the radius of the orbit of charged particles, or in the form of alternating peaks and dips on the dependences of the Lorentz forces on the radius of the orbit of charged particles. Alternating peaks and dips in the dependence of magnetic induction on the orbit radius of isotopic ions correspond to alternating maxima and minima of magnetic induction. Alternating peaks and dips in the dependences of the Lorentz forces on the radius of the orbit of charged particles correspond to alternating maxima and minima of the Lorentz forces. Each induction maximum gives as many Lorentz force maxima as there are varieties of separated charged particles. In FIG. 1, curve 1 refers to the centrifugal force, curve 2 reflects the Lorentz force level for a light, fast charged particle, and curve 3 indicates the Lorentz force level for a heavy, slow charged particle. At sufficiently high peaks of Lorentz forces, i.e. at peaks above the curve of line 1, both charged particles can fly along orbits with small radii. When the height of the peaks of the Lorentz forces decreases, the heavy charged particle leaves the small instantaneous orbit for the large one, and the light charged particle remains in the same small orbit. With a further decrease in the value of magnetic induction, the line of the Lorentz force for a light charged particle (Fig. 1) does not cross the line of centrifugal force, and the light charged particle also moves from a small orbit to a large one. An adjustable magnetic field allows you to dilute or reduce magnetic barriers, allows you to split the beams of charged particles or bring them together, allows you to remove the peaks of the Lorentz forces in one or the other direction, this leads to beams of separated charged particles to one or the other side. To separate the N number of charged particles, N magnetic barriers of the magnetic field are required; N peaks of magnetic induction are required. This yields N peaks of Lorentz forces. To separate the N number of charged particles, one can use (N-1) magnetic barriers of the magnetic field, use (N-1) peaks of magnetic induction, then N (N-1) peaks of Lorentz forces are taught. In this case, it is more convenient not to hold the beam of the heaviest charged particles with the magnetic barrier of the magnetic field, i.e. it is more convenient not to control the beam of the heaviest charged particles, but to control other beams.

На фиг. 2 показано распределение трех пучков заряженных частиц по трем ступеням магнитной индукции. Кривая линия 4, показывающая график зависимости центробежной силы от радиуса орбиты, последовательно пересекает ломаную линию 5 - график зависимости силы Лоренца от радиуса орбиты для легкой заряженной частицы, ломаную линию 6 - график зависимости силы Лоренца для средней по массе заряженной частицы и ломаную линию 7 - график зависимости силы Лоренца от радиуса орбиты для тяжелой заряженной частицы. Смещением ступеней магнитной индукции и изменением их уровней можно собрать все пучки вместе или удалить пучки друг от друга на большие расстояния. In FIG. Figure 2 shows the distribution of three beams of charged particles over three steps of magnetic induction. Curved line 4, showing a graph of the dependence of centrifugal force on the radius of the orbit, successively intersects the broken line 5 - a graph of the dependence of the Lorentz force on the radius of the orbit for a light charged particle, broken line 6 is a graph of the dependence of the Lorentz force for the average mass charged particle and the broken line 7 - plot of the Lorentz force on the orbit radius for a heavy charged particle. By shifting the steps of magnetic induction and changing their levels, it is possible to assemble all the beams together or to remove the beams from each other over long distances.

На фиг. 3 показано распределение односкоростных заряженных частиц по магнитным барьерам. При разделении односкоростных заряженных частиц магнитными барьерами для каждого вида заряженных частиц, для каждого пучка заряженных частиц, имеются свои графики зависимостей 8 и 9 центробежной силы от радиуса мгновенной орбиты. Сила Лоренца, действующая на односкоростные разделяемые заряженные частицы, описывается одной, общей для всех заряженных частиц, зависимостью 10. В магнитном поле заряженные частицы разных видов идут по траекториям, имеющим разные мгновенные радиусы. Радиусы траекторий определяются на фиг. 3 точками пересечения графиков 8 и 9 центробежной силы с графиком 10 силы Лоренца. На фиг. 3 дан график распределения 10 индукции магнитного поля (силы Лоренца, пропорциональной индукции), при котором на малых орбитах можно оставить или односкоростные заряженные частицы двух сортов, или оставить только легкие заряженные частицы, или не оставить никаких заряженных частиц. На больших орбитах можно оставить заряженные частицы любого из двух сортов, или заряженные частицы двух сортов, или не оставить никаких заряженных частиц. In FIG. Figure 3 shows the distribution of single-velocity charged particles over magnetic barriers. When separating single-speed charged particles by magnetic barriers for each type of charged particles, for each beam of charged particles, there are separate graphs of dependences of 8 and 9 centrifugal forces on the radius of the instantaneous orbit. The Lorentz force acting on single-speed separable charged particles is described by one, common to all charged particles, dependence 10. In a magnetic field, charged particles of different types follow trajectories having different instantaneous radii. The radii of the paths are determined in FIG. 3 intersection points of graphs 8 and 9 of the centrifugal force with graph 10 of the Lorentz force. In FIG. Figure 3 shows a graph of the distribution of 10 magnetic field induction (Lorentz force proportional to induction), in which in small orbits one can leave either single-speed charged particles of two types, or leave only light charged particles, or leave no charged particles. In large orbits, you can leave charged particles of either of two varieties, or charged particles of two varieties, or not leave any charged particles.

Способ разделения заряженных частиц по массам реализуется в устройстве для разделения заряженных частиц, изображенном на фиг. 4-6. Разделение заряженных частиц осуществляется в вакуумной камере 11, в которой размещены источник 12 заряженных частиц, содержащий ионизационную камеру 13 и формирующие вытягивающее электрическое поле электроды 14, изоляторы 15, сепаратор 16 заряженных частиц, имеющий трубы 17, 18, 19, и приемники 20, 21, 22, 23 заряженных частиц. Электрический ток, протекающий по сепаратору 16, обеспечивает формирование магнитного поля с расходящимися магнитными барьерами для разделения заряженных частиц. Для доступа к магнитным барьерам в трубах 17, 18, 19 выполнены продольные щелевые прорези 24. Магнитными барьерами являются повышенные значения магнитной индукции в протяженных областях пространства вдоль щелевых прорезей 24. Последовательное расположение изогнутых магнитных барьеров, расположенных вдоль труб 17. 18, 19 обеспечивает разделение пучков заряженных частиц. The method for separating charged particles by mass is implemented in the device for separating charged particles shown in FIG. 4-6. Separation of charged particles is carried out in a vacuum chamber 11, in which a source of charged particles 12 is located, containing an ionization chamber 13 and forming electrodes drawing an electric field 14, insulators 15, a charged particle separator 16 having tubes 17, 18, 19, and receivers 20, 21 , 22, 23 charged particles. An electric current flowing through the separator 16 provides the formation of a magnetic field with diverging magnetic barriers for the separation of charged particles. To access the magnetic barriers in the pipes 17, 18, 19, longitudinal slotted slots 24 are made. Magnetic barriers are increased values of magnetic induction in extended areas of space along the slotted slots 24. The sequential arrangement of curved magnetic barriers located along the pipes 17. 18, 19 provides separation beams of charged particles.

Разделение заряженных частиц в описанном устройстве осуществляют следующим образом. В ионизационной камере 13 источника 12 заряженных частиц производят ионизацию молекул разделяемых частиц, после чего заряженные частицы вытягивают электрическим полем между электродами 14 и затем направляют в сепаратор 16 заряженных частиц. Магнитный барьер магнитного поля вдоль короткого неразветвленного участка труб 17, 18, 19 создают всеми электрическими токами, и поэтому магнитный барьер легко держит разделяемые заряженные частицы на единой мгновенной круговой орбите. По мере движения заряженные частицы попадают в область магнитного поля с расходящимися магнитными барьерами и меньшими значениями магнитной индукции. Здесь посредством электрического тока формируют первый магнитный барьер такой высоты, и магнитную индукцию поддерживают на таком уровне, когда пучок легких заряженных частиц остается на орбите, имеющей малый радиус, а пучок тяжелых заряженных частиц сходит с орбиты, имеющей малый радиус. Пучок тяжелых заряженных частиц в этом случае идет по орбите, имеющей средний радиус, или идет по орбите, имеющей большой радиус, или идет по прямолинейной траектории. Удержание пучка тяжелых заряженных частиц на орбите, имеющей средний радиус, производится другим, вторым магнитным барьером, т.е. достаточным значением магнитной индукции. Понижение высоты второго магнитного барьера приводит к переходу пучка заряженных частиц со средней орбиты на орбиту большего радиуса, орбиту вдоль следующего, третьего магнитного барьера. Понижение высоты третьего магнитного барьера приводит к переходу пучка заряженных частиц с орбиты, имеющей большой радиус, на прямолинейную траекторию. Если требуется заряженные частицы перевести с орбиты, имеющей больший радиус, на орбиту, имеющую меньший радиус, то для этого увеличивают магнитную индукцию поля. Увеличение магнитной индукции выводит заряженные частицы с орбиты, имеющей больший радиус, на орбиту, имеющую меньший радиус. The separation of charged particles in the described device is as follows. In the ionization chamber 13 of the source 12 of charged particles, the molecules of the separated particles are ionized, after which the charged particles are pulled by an electric field between the electrodes 14 and then sent to the charged particle separator 16. The magnetic barrier of the magnetic field along the short unbranched section of the pipes 17, 18, 19 is created by all electric currents, and therefore the magnetic barrier easily holds the separated charged particles in a single instantaneous circular orbit. As they move, charged particles fall into the region of the magnetic field with diverging magnetic barriers and lower values of magnetic induction. Here, by means of an electric current, a first magnetic barrier of such a height is formed, and the magnetic induction is maintained at such a level that the beam of light charged particles remains in orbit having a small radius, and the beam of heavy charged particles leaves the orbit having a small radius. The beam of heavy charged particles in this case goes in an orbit having an average radius, or goes in an orbit having a large radius, or goes along a straight path. The beam of heavy charged particles is held in orbit having an average radius by another, second magnetic barrier, i.e. sufficient value of magnetic induction. Lowering the height of the second magnetic barrier leads to the transfer of a beam of charged particles from the middle orbit to an orbit of a larger radius, an orbit along the next, third magnetic barrier. Lowering the height of the third magnetic barrier leads to the transition of a beam of charged particles from an orbit with a large radius to a straight trajectory. If it is required to transfer charged particles from an orbit having a larger radius to an orbit having a smaller radius, then the magnetic induction of the field is increased for this. An increase in magnetic induction leads charged particles from an orbit having a larger radius to an orbit having a smaller radius.

Важнейшей особенностью способа разделения заряженных частиц является возможность закрутить по круговой орбите только легкие заряженные частицы, практически не изменяя прямолинейную траекторию тяжелых заряженных частиц. Расщепление 1 пучков изотопных ионов в этом случае максимально и равно l = R₁-R₁cosα₁, где α₁ - угол поворота легкого изотопного иона по круговой орбите радиуса R₁. Подразумевается, что угол α₁ < π/2. Протяженность L зоны разделения заряженных частиц по массам в этом случае становится минимальной и определяется по формуле L = R₁α₁, где угол α₁ измеряется в радианах.The most important feature of the method of separation of charged particles is the ability to spin in a circular orbit only light charged particles, almost without changing the straight line trajectory of heavy charged particles. The splitting of 1 isotopic ion beams in this case is maximum and equal to l = R ₁ -R ₁ cosα ₁ , where α ₁ is the angle of rotation of the light isotopic ion in a circular orbit of radius R ₁ . It is understood that the angle α ₁ <π / 2. The length L of the zone of separation of charged particles by mass in this case becomes minimal and is determined by the formula L = R ₁ α ₁ , where the angle α ₁ is measured in radians.

Применение предлагаемого способа разделения заряженных частиц обеспечивает следующие преимущества. The application of the proposed method for the separation of charged particles provides the following advantages.

1. Создание основы новых исходных данных для признанных и ожидаемых, текущих и предвидимых прикладных задач во многих областях ядерной физики, электроники, ионной техники, экологической техники, техники облучения и техники имплантации частиц. 1. Creation of a basis for new initial data for recognized and expected, current and foreseeable applied problems in many fields of nuclear physics, electronics, ion technology, environmental technology, radiation technology and particle implantation technology.

2. Выполнение параллельного решения экологических проблем охраны окружающей среды, рационального использования природных ресурсов и проблем разделения веществ в электромагнитных полях. 2. Implementation of a parallel solution of environmental problems of environmental protection, rational use of natural resources and problems of separation of substances in electromagnetic fields.

3. Решение физической проблемы избирательного захвата магнитным полем ионов, имеющих одну массу, из пучка смеси ионов. 3. The solution to the physical problem of selective capture by a magnetic field of ions having one mass from a beam of a mixture of ions.

4. Осуществление экологически безопасного разделения веществ на основе технологии формирования расходящихся магнитных барьеров магнитного поля. 4. Implementation of environmentally friendly separation of substances based on the technology of formation of diverging magnetic barriers of the magnetic field.

5. Осуществление разделения изотопных ионов бинарных и многокомпонентных изотопных смесей, разделения электронов по энергиям, а также единых пучков заряженных частиц на несколько пучков. 5. The separation of isotopic ions of binary and multicomponent isotopic mixtures, the separation of electrons by energy, as well as single beams of charged particles into several beams.

При этом экологические проблемы с применением способа решаются следующим образом. In this case, environmental problems using the method are solved as follows.

1. Уменьшаются габариты устройств для разделения заряженных частиц по массам, что приводит к резкому уменьшению количества материалов, затрачиваемых на изготовление устройств для разделения заряженных частиц по массам, т.е. приводит к рациональному использованию природных ресурсов. 1. The dimensions of the devices for separating charged particles by mass are reduced, which leads to a sharp decrease in the amount of materials spent on the manufacture of devices for separating charged particles by mass, i.e. leads to the rational use of natural resources.

2. Уменьшением габаритов устройств для разделения заряженных частиц по массам обеспечивается возможность высвобождения до 90% земли, занятой под производство веществ. 2. By reducing the size of the device for separating charged particles by mass, it is possible to release up to 90% of the land used for the production of substances.

3. Вследствие повышения селективности разделения сокращаются потери разделяемого вещества, что приводит к уменьшению техногенного заражения среды обитания и к рациональному использованию природных ресурсов. 3. Due to the increase in the selectivity of separation, losses of the shared substance are reduced, which leads to a decrease in technogenic infection of the habitat and to the rational use of natural resources.

4. Обеспечивается возможность разработать схемы новых устройств для электронно-пучковой экологической очистки воздушной среды, схемы новых устройств для экологической очистки воды и схемы новых устройств для экологической очистки воздуха и воды. 4. It is possible to develop schemes for new devices for electron-beam environmental air purification, schemes for new devices for environmental water purification, and schemes for new devices for environmental air and water purification.

Claims

The method of separation of charged particles by mass, including the formation of a mixture of charged particles by ionization in an ionization chamber, drawing an electric field of a mixture of charged particles from the ionization chamber, separation of charged particles by exposure to magnetic barriers of a static magnetic field and receiving separated charged particles, characterized in that the separation of charged particles produced by exposure to magnetic barriers of a static or controlled magnetic field when replacing some barriers with others, or when the form barriers, or by changing the position of magnetic barriers depending on the mass of the charged particles separated.