RU2193444C1

RU2193444C1 - Device for separating charged particles according to their masses

Info

Publication number: RU2193444C1
Application number: RU2001106411A
Authority: RU
Inventors: В.Т. Доронин; А.Н. Коржавина
Original assignee: Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2002-11-27

Abstract

FIELD: nuclear engineering; extraction of isotopes from their natural mixture. SUBSTANCE: device has vacuum chamber 1, charged-particle source 2, insulators 5, funnel 6, and charged- particle collector 8. Source 2 has ionization chamber 3 and electrodes 4 that function to build up sweeping electric field. Funnel 6 is bent over arcs of charged-particle circular orbits and is provided with longitudinal slit 7. Collector 8 is assembled of members 9 and 10. Member 9 is placed near narrow part of funnel 6 along its slit 7. Member 10 is inserted in wide part of funnel 6. Source 2 faces longitudinal slit 7 and is disposed on wide part of funnel 6. The latter is made of static magnet whose poles are separated by longitudinal slit 7. During device operation charged particles to be separated are passed from source 2 to wide part of funnel 8. Light- weight particles run along slit 7 then they are extracted from narrow end of funnel 6 and passed by member 9 to collector 8. Heavy particles run slower and arrive at member 10 of collector 8. EFFECT: enhanced selectivity of particles separation, reduced loss of separated substance, reduced power requirement. 3 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной технике и предназначено для использования при разделении заряженных частиц, а также может быть использовано для выделения изотопов из их естественной смеси. The invention relates to nuclear engineering and is intended for use in the separation of charged particles, and can also be used to isolate isotopes from their natural mixture.

Для разделения заряженных частиц по массам используют центробежную силу и силу Лоренца, действующую на движущиеся в электрическом и магнитном поле заряженные частицы. Известно несколько устройств для разделения заряженных частиц по массам электромагнитным методом. The centrifugal force and the Lorentz force acting on charged particles moving in an electric and magnetic field are used to separate charged particles by mass. Several devices are known for separating charged particles into masses by the electromagnetic method.

Известно устройство, ускоритель прямого действия, в котором одновременно с ускорением ионов различного типа осуществляется их селекция [И.А. Кащеев, В. А. Дергачев. Электромагнитное разделение изотопов и изотопный анализ. М.: Энергоатомиздат, 1989] . Устройство содержит вакуумную камеру, в которой помещены источник ионов, электроды, источник магнитного поля в виде катушки и приемник заряженных частиц. Электроды формируют электростатическое поле с продольной и радиальной составляющими вектора напряженности. Катушка формирует статическое магнитное поле, пространственно совмещенное с электрическим полем. A device is known, an accelerator of direct action, in which, simultaneously with the acceleration of ions of various types, their selection is carried out [I.A. Kashcheev, V.A. Dergachev. Electromagnetic separation of isotopes and isotope analysis. M .: Energoatomizdat, 1989]. The device comprises a vacuum chamber in which an ion source, electrodes, a magnetic field source in the form of a coil and a charged particle receiver are placed. The electrodes form an electrostatic field with longitudinal and radial components of the tension vector. The coil forms a static magnetic field spatially aligned with the electric field.

Недостатком такого устройства является низкая селективность разделения заряженных частиц по массам из-за ограниченной возможности управления пучками заряженных частиц и высокое энергопотребление. The disadvantage of this device is the low selectivity of the separation of charged particles by mass due to the limited ability to control beams of charged particles and high energy consumption.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для разделения заряженных частиц по массам, в котором сепарация частиц осуществляется в магнитном поле раструба, изогнутого по дугам круговых орбит заряженных частиц и снабженного продольными щелевыми прорезями, не менее одной. Устройство для разделения заряженных частиц по массам содержит вакуумную камеру, в которой установлены кольцевой источник заряженных частиц, раструб для сепарации заряженных частиц и аксиальный с источником заряженных частиц и раструбом для сепарации заряженных частиц кольцевой приемник заряженных частиц. Источник заряженных частиц установлен вокруг широкой части раструба вдоль щелевых прорезей, не менее одной. Приемник заряженных частиц выполнен из элементов, один из которых размещен вблизи узкой части раструба вдоль щелевых прорезей, не менее одной, а другой - внутри широкой части этого раструба (см. патент Российской Федерации 2142328, МПК 6 В 01 D 59/48, Н 05 Н 5/00). The closest in technical essence and the achieved result (prototype) to the claimed invention is a device for separating charged particles by mass, in which the separation of particles is carried out in the magnetic field of the bell, curved along the arcs of circular orbits of charged particles and provided with longitudinal slotted slots, at least one. A device for separating charged particles by mass contains a vacuum chamber in which an annular source of charged particles is mounted, a bell for separating charged particles, and an axial receiver of charged particles with a source of charged particles and a bell for separating charged particles. A source of charged particles is installed around a wide part of the socket along the slotted slots, at least one. The receiver of charged particles is made of elements, one of which is located near the narrow part of the socket along the slotted slots, at least one, and the other inside the wide part of this socket (see patent of the Russian Federation 2142328, IPC 6 V 01 D 59/48, H 05 H 5/00).

Недостатками описанного устройства являются: во-первых, низкая селективность при разделении заряженных частиц по массам вследствие отсутствия четкой границы магнитного барьера; во-вторых, большие потери разделяемого вещества, т.к. отсутствует четкая граница магнитного барьера; в-третьих, высокое энергопотребление вследствие использования энергоемкого сепаратора заряженных частиц с электрическим током для индукции магнитного поля вдоль раструба. The disadvantages of the described device are: firstly, low selectivity in the separation of charged particles by mass due to the lack of a clear boundary of the magnetic barrier; secondly, large losses of the separated substance, because there is no clear boundary of the magnetic barrier; thirdly, high energy consumption due to the use of an energy-intensive separator of charged particles with electric current to induce a magnetic field along the bell.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения селективности при разделении заряженных частиц по массам, сокращения потерь разделяемого вещества и снижения энергопотребления. The present invention solves the problem of increasing selectivity in the separation of charged particles by mass, reducing losses of the separated substance and reducing energy consumption.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для разделения заряженных частиц по массам, содержащем вакуумную камеру, в которой установлены раструб для сепарации заряженных частиц, изогнутый по дугам круговых орбит заряженных частиц и снабженный продольной щелевой прорезью, источник заряженных частиц, установленный вдоль продольной щелевой прорези раструба, и приемник заряженных частиц, выполненный из элементов, один из которых помещен вблизи узкой части раструба вдоль щелевой прорези, а другой помещен внутри широкой части этого раструба, раструб выполнен из статического магнита, полюса которого отделены друг от друга продольной щелевой прорезью, а источник заряженных частиц, обращенный к продольной щелевой прорези, помещен на участке широкой части раструба. To achieve the specified technical result in a device for separating charged particles by mass, containing a vacuum chamber in which a socket for separating charged particles is installed, bent along arcs of circular orbits of charged particles and provided with a longitudinal slotted slot, a source of charged particles mounted along a longitudinal slotted slot of the bell , and a receiver of charged particles made of elements, one of which is placed near the narrow part of the socket along the slotted slot, and the other is placed wide inside of the other part of this bell, the bell is made of a static magnet, the poles of which are separated from each other by a longitudinal slot, and a source of charged particles facing the longitudinal slot is placed on a portion of a wide part of the bell.

Повышение селективности при разделении заряженных частиц по массам обеспечивается вследствие наличия четких границ магнитного барьера и границ магнитного поля при использовании статического магнита вместо электромагнита. The increase in selectivity in the separation of charged particles by mass is provided due to the presence of clear boundaries of the magnetic barrier and the boundaries of the magnetic field when using a static magnet instead of an electromagnet.

Сокращение потерь разделяемого вещества достигается наличием четких границ магнитного барьера и границ магнитного поля при использовании статического магнита вместо электромагнита и, следовательно, разделением менее рассеянных узких пучков изотопных ионов. Reducing the losses of the separated substance is achieved by the presence of clear boundaries of the magnetic barrier and the boundaries of the magnetic field when using a static magnet instead of an electromagnet and, therefore, by separating less scattered narrow beams of isotopic ions.

Снижение энергопотребления обеспечивается вследствие того что предлагаемый в устройстве раструб для сепарации заряженных частиц, выполненный из статического магнита, полюса которого отделены друг от друга продольной щелевой прорезью, одновременно осуществляют функцию источника магнитного поля без использования электрического поля. Reducing energy consumption is ensured due to the fact that the proposed in the device bell for separation of charged particles, made of a static magnet, the poles of which are separated from each other by a longitudinal slotted slot, simultaneously perform the function of a magnetic field source without using an electric field.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства для разделения заряженных частиц по массам, на фиг.2 изображен раструб для сепарации заряженных частиц в продольном сечении, на фиг.3 изображен вид А фиг.2. The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a general view of a device for separating charged particles by mass, Fig. 2 shows a bell for separating charged particles in a longitudinal section, and Fig. 3 shows a view A of Fig. 2.

Устройство для разделения заряженных частиц по массам содержит вакуумную камеру 1, в которой установлены источник 2 заряженных частиц, состоящий из ионизационной камеры 3 и формирующих вытягивающее электрическое поле электродов 4, изоляторы 5, раструб 6 для сепарации заряженных частиц, изогнутый по дугам круговых орбит заряженных частиц и снабженный продольной щелевой прорезью 7, и приемник 8 заряженных частиц, выполненный из элементов 9 и 10. Элемент 9 приемника 8 помещен вблизи узкой части раструба 6 вдоль щелевой прорези 7, а элемент 10 приемника 8 помещен внутри широкой части раструба 6. Элементы 9, 10 приемника 8 заряженных частиц отделены от вакуумной камеры 1 изоляторами 5. Раструб 6 для сепарации заряженных частиц выполнен из статического магнита, полюса которого отделены друг от друга продольной щелевой прорезью 7. Источник 2 заряженных частиц обращен к продольной щелевой прорези 7 и размещен на участке широкой части раструба 6. A device for separating charged particles by mass contains a vacuum chamber 1, in which a source of charged particles 2 is installed, consisting of an ionization chamber 3 and forming electrodes 4 that draw an electric field, insulators 5, a bell 6 for separating charged particles, curved along circular arcs of charged particles and equipped with a longitudinal slotted slot 7, and a charged particle receiver 8 made of elements 9 and 10. The element 9 of the receiver 8 is placed near the narrow part of the socket 6 along the slotted slot 7, and the receiving element 10 8 is placed inside the wide part of the bell 6. Elements 9, 10 of the receiver 8 of charged particles are separated from the vacuum chamber 1 by insulators 5. The bell 6 for separating the charged particles is made of a static magnet, the poles of which are separated from each other by a longitudinal slit slot 7. Source 2 charged particles facing the longitudinal slotted slot 7 and placed on the site of the wide part of the socket 6.

Раструб 6 для сепарации заряженных частиц изготовлен из ферромагнитного материала. Статический магнит, из которого выполнен раструб 6, является источником магнитного поля и формирует статическое магнитное поле с магнитным барьером для разделения частиц. Магнитным барьером является повышенное значение магнитной индукции в продольной прорези 7 раструба 6 для сепарации заряженных частиц. Раструб 6 для сепарации заряженных частиц имеет переменный по длине диаметр, изменяющийся в соответствии с орбитой легких заряженных частиц. В раструбе 6 для сепарации заряженных частиц и для использования магнитного поля прорезана продольная щелевая прорезь 7. Раструб 6 для сепарации заряженных частиц и продольная щелевая прорезь 7 в нем обеспечивают разделение пучков заряженных частиц в зависимости от массы частиц. Элементы 9, 10 приемника 8 заряженных частиц снабжены карманами для сбора заряженных частиц. The bell 6 for separation of charged particles is made of ferromagnetic material. The static magnet from which the bell 6 is made is a source of a magnetic field and forms a static magnetic field with a magnetic barrier to separate particles. The magnetic barrier is the increased value of magnetic induction in the longitudinal slot 7 of the socket 6 for the separation of charged particles. The bell 6 for separation of charged particles has a variable diameter in diameter, varying in accordance with the orbit of light charged particles. In the socket 6 for separation of charged particles and for using a magnetic field, a longitudinal slotted slot 7 is cut. A socket 6 for separation of charged particles and a longitudinal slotted slot 7 therein provide separation of charged particle beams depending on the mass of particles. Elements 9, 10 of the charged particle receiver 8 are provided with pockets for collecting charged particles.

Магнитное поле с магнитным барьером формируется статическим магнитом раструба 6 для сепарации заряженных частиц. К широкому концу раструба 6 для сепарации заряженных частиц подводятся разделяемые заряженные частицы. Из узкого конца раструба 6 для сепарации заряженных частиц выводятся легкие заряженные частицы. Распределение индукции по радиусу раструба 6 для сепарации заряженных частиц в зоне разделения заряженных частиц таково, что получается поле с барьером магнитной индукции. A magnetic field with a magnetic barrier is formed by the static magnet of the socket 6 for the separation of charged particles. Separate charged particles are brought to the wide end of the bell 6 for separation of charged particles. From the narrow end of the socket 6 for the separation of charged particles derived light charged particles. The distribution of induction along the radius of the bell 6 for the separation of charged particles in the separation zone of charged particles is such that a field with a magnetic induction barrier is obtained.

Принцип работы предлагаемого устройства для разделения заряженных частиц по массам заключается в том, что разделение заряженных частиц происходит на магнитном барьере поля статического магнита раструба для сепарации заряженных частиц. The principle of operation of the proposed device for separating charged particles by mass is that the separation of charged particles occurs on the magnetic barrier of the field of the static magnet of the socket for the separation of charged particles.

Предлагаемое устройство для разделения заряженных частиц по массам работает следующим образом. The proposed device for separating charged particles by mass works as follows.

В ионизационной камере 3 источника 2 заряженных частиц происходит ионизация молекул разделяемых заряженных частиц, после чего ионы вытягиваются электрическим полем между электродами 4 источника 2 заряженных частиц, и затем поступают в раструб 6 для сепарации заряженных частиц. In the ionization chamber 3 of the source 2 of charged particles, the molecules of the separated charged particles are ionized, after which the ions are pulled by the electric field between the electrodes 4 of the source 2 of charged particles, and then they enter the socket 6 for separation of the charged particles.

В раструбе 6 для сепарации заряженных частиц каждый пучок моноэнергетических изотопных ионов разделяется магнитным барьером, расположенным вдоль щелевой прорези 7 статического магнита, на два изотопных пучка. Тяжелые моноэнергетические изотопные ионы обладают меньшей скоростью движения, поэтому слабо подвержены воздействию силы Лоренца и проходят через магнитный барьер. Тяжелые моноэнергетические изотопные ионы поступают в элемент 10 приемника 8 заряженных частиц. Легкие моноэнергетические изотопные ионы не пропускаются магнитным барьером и отклоняются магнитным полем на траекторию движения вдоль магнитного барьера. Легкие моноэнергетические изотопные ионы следуют по траектории, которую определяет протяженный магнитный барьер магнитного поля, вдоль щелевой прорези 7 в элемент 9 приемника 8 заряженных частиц. Магнитный барьер магнитного поля, расположенный вдоль щелевой прорези 7 статического магнита раструба 6 для сепарации заряженных частиц, легко держит легкие заряженные частицы на орбите. По мере движения легкие заряженные частицы попадают в область магнитного поля с большими значениями магнитной индукции и все надежнее удерживаются магнитным барьером. In the bell 6 for separation of charged particles, each beam of monoenergetic isotopic ions is separated by a magnetic barrier, located along the slit slot 7 of the static magnet, into two isotopic beams. Heavy monoenergetic isotopic ions have a lower speed of movement, therefore, they are weakly affected by the Lorentz force and pass through the magnetic barrier. Heavy monoenergetic isotopic ions enter element 10 of the receiver 8 charged particles. Light monoenergetic isotopic ions are not transmitted by the magnetic barrier and are deflected by the magnetic field onto the trajectory of motion along the magnetic barrier. Light monoenergetic isotopic ions follow the trajectory determined by the extended magnetic field magnetic barrier along the slot 7 in element 9 of the charged particle receiver 8. A magnetic field magnetic barrier located along the slit slot 7 of the static magnet of the socket 6 for separating charged particles easily holds light charged particles in orbit. As they move, light charged particles fall into the region of the magnetic field with large values of magnetic induction and are more and more reliably held by the magnetic barrier.

Важнейшей особенностью раструба 6 для сепарации заряженных частиц является способность закрутить по круговой орбите только легкие заряженные частицы, практически не изменяя прямолинейную траекторию тяжелых заряженных частиц. Это стало возможно потому, что выполнение раструба 6 для сепарации заряженных частиц из ферромагнетика, изогнутого по дугам круговых орбит заряженных частиц, позволило сформировать магнитный барьер. Расщепление пучков изотопных ионов в этом случае максимально, а протяженность зоны разделения заряженных частиц по массам в этом случае становится минимальной. The most important feature of the socket 6 for the separation of charged particles is the ability to twist in a circular orbit only light charged particles, practically without changing the straight line trajectory of heavy charged particles. This became possible because the implementation of the bell 6 for the separation of charged particles from a ferromagnet, curved along the arcs of circular orbits of charged particles, allowed the formation of a magnetic barrier. The splitting of isotopic ion beams in this case is maximum, and the length of the mass separation zone of charged particles in this case becomes minimal.

После раструба 6 для сепарации заряженных частиц разделенные заряженные частицы попадают в элементы 9, 10 приемника 8 заряженных частиц и накапливаются в них. Элемент 10 приемника 8 заряженных частиц предназначен для сбора тяжелых заряженных частиц. Элемент 9 приемника 8 заряженных частиц предназначен для сбора легких заряженных частиц. After the bell 6 for separation of charged particles, the separated charged particles fall into the elements 9, 10 of the receiver 8 of charged particles and accumulate in them. The element 10 of the receiver 8 charged particles is designed to collect heavy charged particles. Element 9 of the receiver 8 charged particles is designed to collect light charged particles.

Производительность устройства для разделения заряженных частиц по массам определяется током извлекаемых из источника 2 ионов, растет при увеличении напряженности вытягивающего поля в устройстве и увеличении размеров отверстия источника 2. Величина тока извлекаемых из источника 2 заряженных частиц накладывает требования на размеры раструба 6 для сепарации заряженных частиц и элементов 9, 10 приемника 8 заряженных частиц. The performance of the device for separating charged particles by mass is determined by the current of ions extracted from source 2, increases with increasing tension of the drawing field in the device and the size of the opening of source 2. The current value of charged particles extracted from source 2 imposes requirements on the size of the socket 6 for separation of charged particles and elements 9, 10 of the receiver 8 charged particles.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить селективность при разделении заряженных частиц по массам, сократить потери разделяемого вещества и снизить энергопотребление. Thus, the present invention allows to increase the selectivity in the separation of charged particles by mass, reduce losses of the separated substance and reduce energy consumption.

Предлагаемое устройство для разделения заряженных частиц по массам испытано на электромеханической модели. Разделяемые ионные пучки моделированы немагнитными проводниками с электрическими токами. Легкие заряженные частицы моделированы легким немагнитным проводником с электрическим током. Тяжелые заряженные частицы моделированы тяжелым немагнитным проводником с таким же электрическим током. The proposed device for separating charged particles by mass is tested on an electromechanical model. Separated ion beams are modeled by non-magnetic conductors with electric currents. Light charged particles are modeled by a light non-magnetic conductor with electric current. Heavy charged particles are modeled by a heavy non-magnetic conductor with the same electric current.

Claims

A device for separating charged particles by mass, containing a vacuum chamber in which a socket for separating charged particles is installed, bent along arcs of circular orbits of charged particles and provided with a longitudinal slotted slot, a source of charged particles mounted along a longitudinal slotted slot of the bell, and a charged particle receiver, made of elements, one of which is placed near the narrow part of the socket along the slotted slot, and the other is placed inside the wide part of this socket, characterized in that the raster made of a static magnet poles which are separated by the longitudinal slit notch, and the source of charged particles, the longitudinal slit facing the slit portion is placed on the wide part of the funnel.