RU2180146C1

RU2180146C1 - Ion source

Info

Publication number: RU2180146C1
Application number: RU2000125625A
Authority: RU
Inventors: Л.А. Поляков; А.Н. Татаринов; Ю.А. Монастырев; М.А. Черноусов; А.П. Белобородов
Original assignee: Государственное унитарное предприятие, комбинат "Электрохимприбор"
Priority date: 2000-10-11
Filing date: 2000-10-11
Publication date: 2002-02-27

Abstract

FIELD: electromagnetic separation of isotopes. SUBSTANCE: ion source has ion-optical system, hot cathode, gas-discharge chamber, working material crucible, heater, internal heat shields, and external heat shield. Novelty is that external heat shield is made of steel and front one, of graphite. EFFECT: enhanced life of ion source and improved quality of isotope products. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к источникам ионов и может быть использовано в технологии электромагнитного разделения изотопов. The invention relates to ion sources and can be used in the technology of electromagnetic separation of isotopes.

Имеются различные типы ионных источников, в том числе высокотемпературных (R. Kirchner. Progress in ion source development for on-line separator. "Nicl. Instr. and Meth.", 1981, 186, 1-2, 275-293), применяемые вследствие их малой производительности в большинстве случаев для исследовательских целей. Для промышленного электромагнитного разделения изотопов в основном применяются ионные источники калютронного типа, использующие нагрев рабочего вещества и газоразрядной камеры тепловым излучением от нагревателей активного сопротивления (Li Gondpan. et al. Some exsperimental of the calutron ion source. "Nicl. Instr. and Meth.", 1981, 186, 1-2, 353-356). There are various types of ion sources, including high-temperature (R. Kirchner. Progress in ion source development for on-line separator. "Nicl. Instr. And Meth.", 1981, 186, 1-2, 275-293) used due to their low productivity in most cases for research purposes. For industrial electromagnetic separation of isotopes, mainly calutron-type ion sources are used that use heating of the working substance and the gas discharge chamber by thermal radiation from resistance heaters (Li Gondpan. Et al. Some exsperimental of the calutron ion source. "Nicl. Instr. And Meth." 1981, 186, 1-2, 353-356).

Известен источник ионов для промышленного разделения изотопов в 180^oС электромагнитном сепараторе (Н. А. Кащеев, В.А. Дергачев. Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ. М.: Энергоатомиздат, 1989, с.13-15; А. с. 873820), который содержит ионно-оптическую систему, термокатод с нитью накала, газоразрядную камеру и тигель с рабочим веществом. Для создания необходимого давления паров рабочего вещества и устойчивого горения разряда газоразрядная камера и тигель нагреваются тепловым излучением от ленточного и цилиндрического нагревателей активного сопротивления. В качестве материала нагревателей используются нержавеющая сталь, тантал, молибден и графит.A known ion source for industrial isotope separation at 180 ^o With an electromagnetic separator (N. A. Kashcheev, V. A. Dergachev. Electromagnetic isotope separation and isotope analysis. M: Energoatomizdat, 1989, pp. 13-15; A. p. 873820), which contains an ion-optical system, a thermal cathode with a filament, a gas discharge chamber and a crucible with a working substance. To create the required vapor pressure of the working substance and stable burning of the discharge, the gas discharge chamber and the crucible are heated by thermal radiation from tape and cylindrical heaters of active resistance. The material of the heaters used is stainless steel, tantalum, molybdenum and graphite.

Недостатком такого ионного источника, как и у калютрона, является невысокая температура, не превышающая в области нагрева 1000^oС, что ограничивает применение в качестве рабочего вещества многих химических элементов и соединений, имеющих более высокую рабочую температуру парообразования (никель, палладий и др.). Дальнейшее увеличение мощности, подводимой к нагревателям, дает незначительное увеличение температуры вследствие низкой эффективности нагрева, а также приводит к выходу нагревателей из строя по причине возникновения больших токов в их низкоомной цепи.The disadvantage of such an ion source, like that of a calutron, is its low temperature, not exceeding 1000 ^o С in the heating region, which limits the use of many chemical elements and compounds having a higher working temperature of vaporization (nickel, palladium, etc.) as a working substance. . A further increase in the power supplied to the heaters gives a slight increase in temperature due to the low heating efficiency, and also leads to the failure of the heaters due to the appearance of large currents in their low-resistance circuit.

Наиболее близким по технической сути к заявленному техническому решению является источник ионов для промышленного разделения изотопов в электромагнитном сепараторе (Н. А. Кащеев, В.Ф. Тиунова и др., патент РФ 2063088), который содержит ионно-оптическую систему, газоразрядную камеру, тигель, нагреватель, основание с тепловыми экранами. The closest in technical essence to the claimed technical solution is an ion source for industrial isotope separation in an electromagnetic separator (N. A. Kashcheev, V.F. Tiunova et al., RF patent 2063088), which contains an ion-optical system, a gas discharge chamber, crucible, heater, base with heat shields.

Недостатком данного устройства является то, что в процессе работы электроды ионно-оптической системы под воздействием высоких температур и высокого напряжения деформируются и распыляются, вследствие чего появляются утечки в высоковольтных электрических цепях источников ионов, что приводит к снижению производительности источников и их выходу из строя, кроме того, применение наружного теплового экрана из тантала необоснованно ввиду его высокой стоимости. The disadvantage of this device is that during operation, the electrodes of the ion-optical system are deformed and sprayed under the influence of high temperatures and high voltage, as a result of which leaks appear in high-voltage electrical circuits of ion sources, which leads to a decrease in the performance of the sources and their failure, except Moreover, the use of an external heat shield from tantalum is unreasonable due to its high cost.

Технический результат изобретения-увеличение срока эксплуатации источника ионов и повышение его производительности, а также снижение затрат на его производство. The technical result of the invention is to increase the life of the ion source and increase its productivity, as well as reducing the cost of its production.

В предложенном источнике ионов указанный технический результат достигается тем, что между ионно-оптической системой и единым блоком, в который входят тигель и газоразрядная камера, передний тепловой защитный экран с отверстием для прохода ионов от газоразрядной камеры к электродам ионно-оптической системы, выполненный из графитовых накладок, а наружный тепловой экран выполняют из нержавеющей стали. Использование графитового теплового экрана позволяет обеспечить фиксированное расстояние в межэлектродном зазоре оптики, что увеличивает время работы источников за счет уменьшения боковой утечки в данном зазоре, а также исключает воздействие высоких температур и высокого напряжения на электроды ионно-оптической системы, вследствие чего они не деформируются. Как результат, увеличивается срок эксплуатации источников ионов и повышается их производительность. Выполнение наружного экрана из нержавеющей стали позволяет уменьшить себестоимость устройства без ухудшения характеристик работоспособности. In the proposed ion source, the specified technical result is achieved by the fact that between the ion-optical system and a single unit, which includes the crucible and the gas discharge chamber, a front thermal protective screen with an opening for the passage of ions from the gas discharge chamber to the electrodes of the ion-optical system, made of graphite overlays, and the external heat shield is made of stainless steel. The use of a graphite heat shield allows a fixed distance in the interelectrode gap of the optics, which increases the operating time of the sources by reducing lateral leakage in this gap, and also eliminates the effects of high temperatures and high voltage on the electrodes of the ion-optical system, as a result of which they do not deform. As a result, the lifetime of ion sources increases and their productivity increases. The implementation of the outer screen of stainless steel allows to reduce the cost of the device without compromising performance characteristics.

Проведенный анализ общедоступных источников информации об уровне техники не позволил выявить техническое решение, тождественное заявленному, на основании чего делается вывод о неизвестности последнего, т.е. о соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию "новизна". The analysis of publicly available sources of information on the level of technology did not allow to identify a technical solution identical to the declared one, on the basis of which a conclusion is made about the unknownness of the latter, i.e. on compliance of the invention presented in this application with the criterion of "novelty."

Сопоставительный анализ заявленного решения с известными техническими решениями позволил выявить, что представленная совокупность отличительных признаков не известна для специалиста в данной области и не следует явным образом из известного уровня техники, на основании чего делается вывод о соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию "изобретательский уровень". A comparative analysis of the claimed solution with the known technical solutions revealed that the presented set of distinctive features is not known to a person skilled in the art and does not follow explicitly from the prior art, on the basis of which it is concluded that the invention presented in this application meets the criterion of "inventive step" .

На чертеже представлен источник ионов, содержащий корпус 1, экран внутренний 2, экран средний 3, экран наружный 4, нагреватель 5 с помещенными в него тиглем 6 и газоразрядной камерой 7, передний тепловой экран 8, электроды ионно-оптической системы 9. The drawing shows an ion source containing a housing 1, an inner screen 2, a middle screen 3, an outer screen 4, a heater 5 with a crucible 6 and a gas discharge chamber 7 placed therein, a front heat shield 8, electrodes of an ion-optical system 9.

Рабочее вещество загружают в графитовый тигель 6 и совмещают его с графитовой газоразрядной камерой 7 соединением типа "ласточкин хвост". Этот блок помещают в рабочий объем графитового нагревателя 5. С целью уменьшения тепловых потерь на излучение установлены танталовые тепловые экраны 2 и 3, а также наружный стальной тепловой экран 4. С открытой стороны роль теплового экрана размещают графитовые накладки, закрепленные на корпусе 8 и имеющие отверстие для прохода ионов, защищающие электроды ионно-оптической системы 9. Ионный источник находится в вакууме при давлении 1•10^-3 Па в постоянном магнитном поле. При нагреве пары рабочего вещества из тигля 6 попадают в полость газоразрядной камеры 7, затем под действием электронов термокатод с нитью накала в парах рабочего вещества зажигается дуговой разряд, и образовавшиеся ионы извлекаются из газоразрядной камеры 7 и формируются в пучок электродами ионно-оптической системы 9.The working substance is loaded into a graphite crucible 6 and combine it with a graphite gas-discharge chamber 7 by a dovetail connection. This unit is placed in the working volume of a graphite heater 5. In order to reduce heat loss due to radiation, tantalum heat shields 2 and 3 are installed, as well as an external steel heat shield 4. On the open side, the role of the heat shield is placed on graphite plates mounted on the housing 8 and having an opening for the passage of ions, protecting the electrodes of the ion-optical system 9. The ion source is in vacuum at a pressure of 1 • 10 ^-3 Pa in a constant magnetic field. When heated, the pairs of the working substance from the crucible 6 fall into the cavity of the gas-discharge chamber 7, then, under the influence of electrons, the thermal cathode with a filament in the vapor of the working substance ignites an arc discharge, and the formed ions are extracted from the gas-discharge chamber 7 and formed into the beam by electrodes of the ion-optical system 9.

Ионный источник был изготовлен и испытан при разделении изотопов палладия в электромагнитном сепараторе на установке СУ-20 комбината "Электрохимприбор". В тигель был загружен металлический порошковый палладий, не имеющий устойчивых низкотемпературных легколетучих соединений. При температуре 1600-1700^oС в газоразрядной камере было достигнуто давление паров палладия, необходимое для поддержания устойчивого дугового разряда и получения сфокусированного ионного пучка. Зафиксированы основные параметры, характеризующие режим работы ионного источника: напряжение в цепи нагревателя 26 В, ток в цепи нагревателя 115 А, напряжение разряда 150 В, ток разряда 1 А, ток ионного источника 37 мА, расход палладия 0,6 г/ч, время работы источника 35 ч. Результаты разделения изотопов палладия представлены в таблице.An ion source was manufactured and tested in the separation of palladium isotopes in an electromagnetic separator at the SU-20 installation of the Electrochemicalpribor combine. Palladium metal powder was loaded into the crucible without stable low-temperature volatile compounds. At a temperature of 1600-1700 ^o C in the gas discharge chamber, the palladium vapor pressure necessary to maintain a stable arc discharge and to obtain a focused ion beam was achieved. The main parameters that characterize the operation mode of the ion source are fixed: voltage in the heater circuit 26 V, current in the heater circuit 115 A, discharge voltage 150 V, discharge current 1 A, ion current 37 mA, palladium consumption 0.6 g / h, time source work 35 hours. The results of the separation of palladium isotopes are presented in the table.

В процессе работы источника ионов было выявлено, что применение теплозащитного графитового экрана позволило обеспечить фиксированное расстояние в межэлектродном зазоре оптики и увеличить время работы источника ионов, а также увеличить качество изотопной продукции. Применение наружного теплового экрана из нержавеющей стали позволило уменьшить себестоимость изделия. During the operation of the ion source, it was revealed that the use of a heat-shielding graphite screen made it possible to provide a fixed distance in the interelectrode gap of the optics and to increase the operating time of the ion source, as well as to increase the quality of isotopic products. The use of an external heat shield made of stainless steel made it possible to reduce the cost of the product.

Изготовление заявленного устройства возможно на стандартном оборудовании предприятия, а эксплуатация не потребует дополнительного обучения персонала. The manufacture of the claimed device is possible on standard equipment of the enterprise, and operation will not require additional training of personnel.

Claims

1. The ion source for an electromagnetic mass separator containing an ion-optical system, a thermal cathode with filament, a gas discharge chamber, a crucible with a working substance, a heater with heat shields, characterized in that the external heat shield is made in the form of a hollow rectangular parallelepiped covering the heater on five sides, and the front heat shield is made of graphite pads mounted on the source body.

2. The ion source according to claim 1, characterized in that the sides and the base of the external heat shield are made of stainless steel.