RU2217223C2

RU2217223C2 - Method and device for separating stable plasma isotopes by ion-cyclotron resonance method

Info

Publication number: RU2217223C2
Application number: RU2001120769/12A
Authority: RU
Inventors: А.И. Карчевский; Е.П. Потанин
Original assignee: Карчевский Александр Иванович; Потанин Евгений Петрович
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2003-11-27

Abstract

FIELD: chemical and atomic industries; radio medicine. SUBSTANCE: homogeneous longitudinal magnetic field is built up by solenoid 3 in working vacuum chamber 1 disposed in cryostat 2. Left-hand part of chamber 1 accommodates plasma source incorporating crucible 4 for evaporating element being separated, and electron gun 11 producing electron beam 10 passed through metal pipeline 12. Plasma source also has electron-cyclotron discharge zone 13 and screens 14 for accumulating product being evaporated. Atoms that have not managed to ionize are collected on screen 14 and can be easily extracted from chamber 1 and conveyed to crucible 4 again. Microwave radiation is passed to ionization area through facility that has waveguide 5 and mirror 6. Electrode 15 is designed to reflect electrons which eliminates losses. Device is provided with high-frequency antenna 7 affording selective heating of ions. Target ions acquire high transversal energy and path 8 due to resonant ion-cyclotron heating. Nontarget isotopes use path 9. Collector system is disposed in right-hand part of chamber 1 past heating area in weak homogeneous magnetic field zone and has shields 17 protecting metal target-ion collecting plates 16 and dumping plate 18 transversal to flow. Plates 16 are arranged radially to each other. EFFECT: enhanced productivity and extremely high efficiency of separating high-melting elements. 7 cl, 6 dwg

Description

Область техники
Изобретение относится к области разделения стабильных изотопов в плазме методом ионного циклотронного резонанса (ИЦР), а также к устройствам для его реализации. Широкое применение стабильных изотопов в радиомедицине, атомной промышленности, а также для решения проблем фундаментальной физики требует поддержания ассортимента получаемых изотопов и увеличения их производства.Technical field
The invention relates to the field of separation of stable isotopes in plasma by the method of ion cyclotron resonance (ICR), as well as to devices for its implementation. The widespread use of stable isotopes in radio medicine, the nuclear industry, and also to solve the problems of fundamental physics requires maintaining the assortment of isotopes obtained and increasing their production.

Предшествующий уровень техники
Известен электромагнитный способ получения стабильных изотопов средних и больших масс в промышленных масштабах (Арцимович Л.А., Лукьянов С.Ю. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. М., 1978 г., с. 119).State of the art
A known electromagnetic method for producing stable isotopes of medium and large masses on an industrial scale (Artsimovich L.A., Lukyanov S.Yu. Movement of charged particles in electric and magnetic fields. M., 1978, p. 119).

В практически универсальном электромагнитном способе разделение ионов различных масс имеет место в ионном пучке, распространяющемся поперек магнитного поля в вакууме. Вследствие отталкивающего кулоновского взаимодействия между ионами в пучке ионный ток в электромагнитном способе мал, что приводит к ограниченным количествам получаемого изотонически обогащенного продукта при высокой его цене. In a practically universal electromagnetic method, the separation of ions of different masses takes place in an ion beam propagating across the magnetic field in a vacuum. Due to the repulsive Coulomb interaction between ions in the beam, the ion current in the electromagnetic method is small, which leads to limited quantities of the resulting isotonically enriched product at a high price.

Известен эффективный и гибкий метод газового центрифугирования, который позволяет получать сравнительно дешевые стабильные изотопы в значительных количествах (сотни кг и более), но только тех элементов Периодической системы, которые имеют газообразные соединения при комнатной температуре. Таких элементов в природе не более 20. An effective and flexible method of gas centrifugation is known, which allows one to obtain relatively cheap stable isotopes in significant quantities (hundreds of kg or more), but only those elements of the Periodic System that have gaseous compounds at room temperature. There are no more than 20 such elements in nature.

Известно устройство для получения стабильных изотопов электромагнитным способом (Арцимович Л.А., Лукьянов С.Ю. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. М., 1978 г., с.119). A device is known for producing stable isotopes by the electromagnetic method (Artsimovich L.A., Lukyanov S.Yu. Movement of charged particles in electric and magnetic fields. M., 1978, p.119).

Известно также устройство, представляющее собой каскад газовых центрифуг (Аббакумов Е. И., Баженов В.А., Вербин Ю.В. и др. Атомная энергия, 1989, т. 67, вып.4, с.255). A device is also known, which is a cascade of gas centrifuges (Abbakumov E.I., Bazhenov V.A., Verbin Yu.V. et al. Atomic energy, 1989, v. 67, issue 4, p. 255).

В современных условиях возникла проблема получения стабильных изотопов некоторых элементов, которые не имеют удобных газообразных соединений при нормальных условиях и поэтому не могут быть получены центробежным методом, а требуемые количества этих изотопов превышают производительные возможности электромагнитных сепараторов. Эти стабильные изотопы необходимы для нужд ядерной энергетики (Gd-157), медицины (Pd-102, T1-203) и фундаментальной физики (Са-48. Nd-150). Особое место в перечисленном выше ряду занимает изотоп Gd-157, мировая потребность в котором оценивается около одной тонны в год. Этот изотоп, представляющий практический интерес благодаря очень высокому сечению поглощения нейтронов, присутствует вместе с изотопами, имеющими массовые числа 152, 154, 155, 156, 158 и 160. In modern conditions, the problem has arisen of obtaining stable isotopes of certain elements that do not have convenient gaseous compounds under normal conditions and therefore cannot be obtained by the centrifugal method, and the required amounts of these isotopes exceed the productive capabilities of electromagnetic separators. These stable isotopes are necessary for the needs of nuclear energy (Gd-157), medicine (Pd-102, T1-203) and fundamental physics (Ca-48. Nd-150). A special place in the above series is occupied by the Gd-157 isotope, the global demand for which is estimated at about one ton per year. This isotope, which is of practical interest due to the very high neutron absorption cross section, is present together with isotopes having mass numbers 152, 154, 155, 156, 158 and 160.

Перечисленные выше материалы не могут быть получены в килограммовых и более количествах никакими из существующих промышленных методов. Возникает пробел в индустриальных методах получения стабильных изотопов ряда элементов, требуемых в количествах десятков и сотен килограммов в год. Этот пробел на сегодняшний день может заполнить плазменный метод разделения, а именно метод ионно-циклотронного резонанса (ИЦР-процесс). The materials listed above cannot be obtained in kilogram or more quantities by any of the existing industrial methods. There is a gap in industrial methods for producing stable isotopes of a number of elements required in quantities of tens and hundreds of kilograms per year. Today, this gap can be filled by the plasma separation method, namely, the ion cyclotron resonance method (ICR process).

Поскольку именно нескомпенсированность положительного объемного заряда ионного пучка в масс-сепараторе препятствует увеличению производительности разделительного модуля, было высказано предложение (1. Аскарьян Г.А., Намиот В. А. , Рухадзе А.А. Письма в ЖТФ, 1975, 1, с.820; 2. Dawson J.M., Kim H.C., Arnush D. et al. Phys. Rev. Lett., 1976, 37, р. 1547; 3. Dawson J.M., Patent USA, 4,059,761, 1977; 4. Dawson J.M., Patent USA, 4,066,893, 1978) использовать для разделения ионов по массам плазму, в которой ионный заряд скомпенсирован электронами. По сравнению с промышленным электромагнитным сепаратором ИЦР-установка должна производить существенно большее количество цепного продукта в силу отсутствия ограничений на величину перерабатываемого потока вещества, связанных с положительным объемным зарядом ионов в плазме. Since it is precisely the uncompensated positive space charge of the ion beam in the mass separator that prevents the separation module from increasing productivity, a proposal was made (1. Askaryan, G.A., Namiot, V.A., Rukhadze, A.A., Letters in ZhTF, 1975, 1, p. .820; 2. Dawson JM, Kim HC, Arnush D. et al. Phys. Rev. Lett., 1976, 37, p. 1547; 3. Dawson JM, Patent USA, 4,059,761, 1977; 4. Dawson JM, Patent USA, 4,066,893, 1978) use a plasma in which the ion charge is compensated by electrons to separate ions by mass. Compared with an industrial electromagnetic separator, an ICR unit should produce a significantly larger amount of chain product due to the absence of restrictions on the amount of the processed substance flow associated with a positive space charge of ions in the plasma.

Для разделения изотопов тугоплавких элементов методом ИЦР известен источник с катодным распылением ионами высокой энергии (WO, A1, Romesser Т. et al. , 84/02803). К распыляемой пластине, изготовленной из разделяемого вещества, прикладывают отрицательный электрический потенциал U, достаточный для сообщения бомбардирующим пластину ионам такой энергии, чтобы при ударе о пластину выбить с ее поверхности несколько нейтральных атомов. Далее эти нейтральные атомы ионизируются электронами в зоне электронно-циклотронного резонанса ЭЦР-разряда вблизи пластины. Такой ЭЦР-разряд создают под действием микроволнового (СВЧ) излучения, поступающего по волноводу и отражаемого от зеркала в ЭЦР-зону. Обычно для организации работы такого источника добавляется буферный инертный газ, чтобы обеспечить необходимое количество бомбардирующих пластину ионов как в начале процесса распыления, так и в рабочем режиме процесса распыления, если образующихся ионов недостаточно для эффективного распыления выбранного тугоплавкого элемента (Gd, W и т.д.). Использование в ИЦР-установке инертного газа вызывает ряд нежелательных побочных эффектов. Из-за столкновений ионов и нейтралов этого газа с ионами разделяемого элемента в зоне ВЧ-антенны уменьшается селективность ИЦР-нагрева. Сам инертный газ не адсорбируется на стенках вакуумной камеры, в результате чего его концентрация может быть значительной во всем объеме разделительной ИЦР-установки. Однако более внимательное рассмотрение показывает, что существуют серьезные трудности в реализации распылительного механизма, когда требуется получение изотопов гадолиния. Эти трудности связаны со сравнительно низкой температурой плавления гадолиния (1313^oС) и его низкой теплопроводностью. Дело в том, что тепловая мощность, диссипируемая в катоде при его бомбардировке с целью создания потока распыленных атомов на уровне эквивалентного тока 100 А и выше, достигает 100-200 кВт при площади катодной пластины 2000-3000 см². При таких тепловых нагрузках в условиях низкой теплопроводности гадолиния возникает опасность расплавления пластины (диска), что требует дополнительного охлаждения к охлаждению излучением. Такое охлаждение может быть осуществлено только с тыльной стороны катодной пластины, например, за счет водяного (или другого) охлаждения металлической подложки, к которой крепится распыляемая пластина. К сожалению, создание такой конструкции, требующей надежного соединения подложки и гадолиниевого диска, выдерживающей высокие напряжения в условиях изгибания диска, вызванного его тепловым расширением за счет падающей тепловой мощности, представляет собой очень трудную инженерную задачу. Однако, даже если бы эту задачу удалось решить, всегда будет существовать серьезная опасность локального проплавления гадолиниевой пластины вследствие затруднений при поддержании оптимального режима распыления с однородным прогревом пластины со всеми вытекающими отсюда последствиями прорыва охлаждающей жидкости в вакуумную камеру.For the separation of isotopes of refractory elements by ICR, a source with cathodic sputtering by high-energy ions is known (WO, A1, Romesser T. et al., 84/02803). A negative electric potential U is applied to the sprayed plate made of the material to be separated, sufficient for the energy of the bombarding plate to communicate such energy that several neutral atoms are knocked out of its surface when it hits the plate. Further, these neutral atoms are ionized by electrons in the electron cyclotron resonance zone of the ECR discharge near the plate. Such an ECR discharge is created under the influence of microwave (microwave) radiation entering through the waveguide and reflected from the mirror into the ECR zone. Typically, inert gas is added to organize the operation of such a source in order to provide the necessary number of ions bombarding the plate both at the beginning of the spraying process and in the operating mode of the spraying process, if the generated ions are not enough to efficiently spray the selected refractory element (Gd, W, etc. .). The use of an inert gas in an ICR setup causes a number of undesirable side effects. Due to collisions of the ions and neutrals of this gas with the ions of the element to be separated, the selectivity of ICR heating decreases in the RF antenna zone. The inert gas itself is not adsorbed on the walls of the vacuum chamber, as a result of which its concentration can be significant in the entire volume of the separation ICR installation. However, a closer examination shows that there are serious difficulties in the implementation of the spraying mechanism, when the production of gadolinium isotopes is required. These difficulties are associated with the relatively low melting point of gadolinium (1313 ^o C) and its low thermal conductivity. The fact is that the thermal power dissipated in the cathode during its bombardment in order to create a stream of atomized atoms at an equivalent current level of 100 A and higher reaches 100-200 kW with a cathode plate area of 2000-3000 cm ² . Under such thermal loads, in conditions of low thermal conductivity of gadolinium, there is a danger of melting of the plate (disk), which requires additional cooling to be cooled by radiation. Such cooling can be carried out only from the back of the cathode plate, for example, by water (or other) cooling of the metal substrate to which the spray plate is attached. Unfortunately, the creation of such a design, requiring a reliable connection of the substrate and the gadolinium disk, which can withstand high stresses under bending of the disk caused by its thermal expansion due to the incident thermal power, is a very difficult engineering task. However, even if this problem could be solved, there would always be a serious danger of local penetration of the gadolinium plate due to difficulties in maintaining the optimal spraying mode with uniform heating of the plate with all the ensuing consequences of a breakthrough of the cooling liquid into the vacuum chamber.

Известен плазменный источник распылительного типа, где вместо буферного инертного газа предлагалось использовать пары легкоиспаряемых металлов (заявка на изобретение 96111414, B 01 D 59/48, 1998.09.27, Карчевский А.И. и др.). Испаритель можно расположить в нижней части установки вблизи ЭЦР-зоны. В качестве рабочего элемента для испарения можно использовать такие вещества, как Zn, Pb и др. Осаждение неионизованных атомов пара металла (Zn, Pb и др. ) в вакуумной рабочей камере вблизи источника на охлаждаемых экранах практически исключит их попадание в зону ВЧ-разряда. Такой источник в принципе мог бы использоваться и при разделении изотопов гадолиния. Known plasma source of the spray type, where instead of a buffer inert gas it was proposed to use a pair of easily evaporated metals (application for the invention 96111414, B 01 D 59/48, 1998.09.27, Karchevsky A.I. and others). The evaporator can be located in the lower part of the installation near the ECR zone. As a working element for evaporation, one can use such substances as Zn, Pb, etc. The deposition of non-ionized metal vapor atoms (Zn, Pb, etc.) in a vacuum working chamber near a source on cooled screens will practically exclude their getting into the RF discharge zone. Such a source, in principle, could be used in the separation of gadolinium isotopes.

Известна также заявка на изобретение ( 96110291, В 01 D 59/48, 1998.08.27, Карчевский А. И. и др.), где было предложено располагать коллектор в области ослабленного однородного магнитного поля. В этом случае рабочая зона нагрева (магнитное поле В₀), определяющая селективность, и зона расположения коллектора (магнитное доле В₁<В₀) оказываются как бы развязанными по величине магнитного поля. В этом случае ларморовский радиус частиц в области коллектора увеличивается пропорционально

в силу сохранения магнитного момента μ, связанного с вращением иона по окружности. Это позволяет увеличить расстояние между пластинами коллектора, увеличить размеры экранов и тем самым обеспечить возможность изготовления охлаждаемых пластин коллектора и передних экранов оптимальных размеров.An application for an invention is also known (96110291, B 01 D 59/48, 1998.08.27, A. Karchevsky, etc.), where it was proposed to place the collector in the region of a weakened uniform magnetic field. In this case, the working heating zone (magnetic field B ₀ ), which determines the selectivity, and the collector location zone (magnetic fraction B ₁ <B ₀ ) turn out to be decoupled as to the magnitude of the magnetic field. In this case, the Larmor particle radius in the collector region increases proportionally

due to the conservation of the magnetic moment μ associated with the rotation of the ion around the circle. This allows you to increase the distance between the collector plates, increase the size of the screens and thereby provide the ability to produce cooled collector plates and front screens of optimal sizes.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ и устройство для разделения изотопов, описанное в патенте П. Лувэ (US 5422481, HKИ 250-291), в котором предлагается способ получения пара разделяемого элемента (главное внимание уделено гадолинию) и его последующая ионизация в условиях ЭЦР при испарении из большого контейнера при высокой температуре. Closest to the proposed invention is a method and device for the separation of isotopes described in the patent P. Louve (US 5422481, HKI 250-291), which proposes a method for producing a pair of separable element (the main focus is on gadolinium) and its subsequent ionization under ECR conditions when evaporating from a large container at high temperature.

Разделительная ИЦР-установка для этого ориентирована вертикально, и контейнер, содержащий расплавленный разделяемый элемент или сплав этого элемента, расположен на дне разделительной ИЦР-установки. Пар образуется на поверхности расплава и поднимается, проходя зону ионизации. В такой конструкции очень узкая зона ЭЦР-нагрева электронов (порядка нескольких мм) и более протяженная область ЭЦР-разряда (порядка нескольких см) расположены перпендикулярно к потоку нейтралов. Автор не описывает способ нагрева контейнера, что является принципиальным вопросом создания реально функционирующего источника паров с достаточно высокой производительностью. Однако, даже если считать, что такой нагрев осуществим и пар с достаточной плотностью испаряется с поверхности расплава, в предложенной конструкции источника с ионизацией за счет излучения гиротропа поток не успевших ионизоваться нейтральных атомов поступает через зону ЭЦР-разряда непосредственно в зону расположения зеркал СВЧ-тракта и область ВЧ-нагрева ионов. Это должно даже при высоких степенях ионизации пара приводить к запылению нейтралами элементов линии передачи СВЧ-излучения (и в первую очередь зеркал), а также к тому, что в зону ВЧ-нагрева будет проникать нейтральная компонента. Последнее весьма нежелательно, поскольку это будет с неизбежностью приводить к уходу нагретых в ВЧ-зоне целевых ионов из потока в результате резонансной перезарядки на нейтральных атомах. Такие потери будут существенно снижать коэффициенты использования вещества и степень извлечения ценного изотопа. При этом соображения о возможности повышения электронной температуры в ЭЦР-разряде за счет повышения мощности СВЧ-излучения для получения более высоких степеней ионизации неосновательны, поскольку в этом случае мы будем иметь значительное количество двухзарядных и даже трехзарядных ионов. Последнее только усложнит проблему селективного нагрева или приведет к дополнительным потерям производительности установки. The separation ICR unit for this is oriented vertically, and the container containing the molten shared element or alloy of this element is located at the bottom of the separation ICR unit. Steam forms on the surface of the melt and rises, passing through the ionization zone. In this design, a very narrow zone of ECR-heating of electrons (of the order of several mm) and a longer region of the ECR-discharge (of the order of several cm) are perpendicular to the flow of neutrals. The author does not describe the method of heating the container, which is a fundamental issue in creating a really functioning vapor source with a sufficiently high productivity. However, even if it is assumed that such heating is feasible and vapor with sufficient density evaporates from the surface of the melt, in the proposed source design with ionization due to gyrotropic radiation, a stream of neutral atoms that have not had time to ionize enters through the ECR discharge zone directly into the zone where the microwave path mirrors and a region of RF heating of ions. This, even at high degrees of ionization of the vapor, should lead to the neutralization of elements of the transmission line of microwave radiation (primarily mirrors), and also to the fact that a neutral component will penetrate into the RF heating zone. The latter is highly undesirable, since this will inevitably lead to the departure of the target ions heated in the rf band from the flux as a result of resonant charge exchange on neutral atoms. Such losses will significantly reduce the utilization rates of the substance and the degree of extraction of the valuable isotope. Moreover, considerations about the possibility of increasing the electron temperature in an ECR discharge by increasing the power of microwave radiation to obtain higher degrees of ionization are unjustified, since in this case we will have a significant number of doubly charged and even triply charged ions. The latter will only complicate the problem of selective heating or lead to additional losses in plant productivity.

В основу данного изобретения положена задача создания способа и устройства для разделения стабильных изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонанса, которые позволили бы существенно (в сотни и тысячи раз) увеличить производительность получения изотопов промышленным методом по сравнению с промышленным электромагнитным сепаратором. The basis of this invention is the creation of a method and device for the separation of stable isotopes in plasma by the ion-cyclotron resonance method, which would allow significantly (hundreds and thousands of times) to increase the production of isotopes by the industrial method in comparison with an industrial electromagnetic separator.

Поставленная задача решается тем, что в способе разделения стабильных изотопов в плазме методом ионно-циклотронного резонанса, при котором плазму, содержащую ионы, включающую атомы элемента, имеющего по меньшей мере два изотопа, помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию перпендикулярного магнитному электрического поля, частота которого соответствует циклотронной частоте ионов целевого изотопа для преимущественного ускорения этих ионов таким образом, что ионы ускоренного целевого изотопа двигаются по расширяющимся спиральным траекториям с поперечными энергиями, существенно превышающими энергию неускоренных ионов других изотопов, затем селективно ионы ускоренного целевого изотопа отделяют от неускоренного, согласно изобретению предварительно плазму создают путем ионизации паров элемента, изотопы которого подвергают разделению, получаемых испарением электронным пучком, направляют полученный плазменный поток вдоль постоянного магнитного поля и ускоренные ионы целевого изотопа отделяют от остальных в зоне ослабленного магнитного поля с расходящимися силовыми линиями. The problem is solved in that in a method for separating stable isotopes in a plasma by the ion-cyclotron resonance method, in which a plasma containing ions including atoms of an element having at least two isotopes is placed in a constant magnetic field and exposed to a perpendicular magnetic field, whose frequency corresponds to the cyclotron frequency of the ions of the target isotope in order to preferentially accelerate these ions so that the ions of the accelerated target isotope move along the expanding according to the invention, the plasma is preliminarily created by ionizing the vapors of the element, the isotopes of which are subjected to separation obtained by evaporation by an electron beam, and the resulting plasma flow is directed along a constant plasma magnetic field and accelerated ions of the target isotope are separated from the others in the zone of weakened magnetic field with yaschimisya power lines.

Электронный пучок направляют вдоль силовой линии постоянного магнитного поля непосредственно на поверхность испаряемого элемента с возможностью перемещения этого пучка по поверхности. The electron beam is sent along the field line of a constant magnetic field directly to the surface of the evaporated element with the possibility of moving this beam over the surface.

Электронный пучок направляют вдоль силовой линии постоянного магнитного поля снизу испаряемого элемента. The electron beam is directed along the field line of a constant magnetic field from the bottom of the evaporated element.

Вдоль силовой линии постоянного магнитного поля направляют одновременно два электронных пучка, один из которых выходит из зоны ослабленного магнитного поля снизу испаряемого элемента, а другой сверху испаряемого элемента. Two electron beams are simultaneously directed along the power line of the constant magnetic field, one of which leaves the zone of weakened magnetic field from below the evaporated element, and the other from above the evaporated element.

Для разделения стабильных изотопов используется устройство, которое включает вакуумную рабочую камеру, расположенную в сверхпроводящей магнитной системе, содержащей плазменный источник, средства транспортировки микроволнового излучения в зону ионизации и коллекторную систему, состоящую из экранов, металлических пластин для отбора целевых ионов и, по меньшей мере, одной отвальной пластины, причем плазменный источник содержит тигель с испаряемым элементом, электронную пушку, позволяющую нагревать и испарять разделяемый элемент, зону злектронно-циклотронного разряда, средства транспортировки микроволнового излучения представляют собой волновод и зеркала, а коллекторная система расположена за областью нагрева в зоне ослабленного однородного магнитного поля, причем металлические пластины для отбора целевого изотопа размещены радиально друг относительно друга. To separate stable isotopes, a device is used that includes a vacuum working chamber located in a superconducting magnetic system containing a plasma source, means for transporting microwave radiation into the ionization zone, and a collector system consisting of screens, metal plates for selecting target ions, and at least one dump plate, and the plasma source contains a crucible with an evaporated element, an electron gun that allows you to heat and vaporize the shared element, zone electron-cyclotron discharge, microwave radiation transport means are a waveguide and mirrors, and the collector system is located behind the heating region in the zone of a weakened uniform magnetic field, and metal plates for selecting the target isotope are placed radially relative to each other.

Коллекторная система расположена в зоне расходящихся силовых линий магнитного поля. The collector system is located in the area of divergent magnetic field lines.

В плазменном источнике в качестве движущегося катода использован гадолиниевый диск, диаметр которого больше чем диаметр плазменного разряда, размещенный с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, смещенной вверх от оси сверхпроводящей магнитной системы. In a plasma source, a gadolinium disk is used as a moving cathode, the diameter of which is larger than the diameter of the plasma discharge, placed rotatably around a horizontal axis shifted upward from the axis of the superconducting magnetic system.

Краткое описание чертежей. A brief description of the drawings.

Предложенное изобретение поясняется чертежами, на которых:
фиг.1 - схема ИЦР-установки с электронным пучком;
фиг.2 - схема элемента коллекторной системы;
фиг. 3 - схема расположения коллектора в зоне однородного ослабленного магнитного поля;
фиг.4 - схема расположения радиальных пластин коллектора;
фиг.5 - принцип действия радиального коллектора;
фиг.6 - схема плазменного источника с движущимся распыляемым катодом.The proposed invention is illustrated by drawings, in which:
figure 1 - diagram of the ICR installation with an electron beam;
figure 2 - diagram of the element of the collector system;
FIG. 3 is a diagram of the location of the collector in the area of a uniform weakened magnetic field;
figure 4 - arrangement of radial plates of the collector;
figure 5 - the principle of operation of the radial collector;
6 is a diagram of a plasma source with a moving atomized cathode.

На предложенных чертежах представлены:
1 - вакуумная рабочая камера;
2 - криостат;
3 - соленоид;
4 - тигель;
5 - волновод;
6 - зеркало;
7 - ВЧ-антенна;
8 - траектория целевых ионов;
9 - траектория нерезонансных ионов;
10 - электронный пучок;
11 - электронная пушка;
12 - металлические трубопроводы (полосы);
13 - зона ЭЦР-нагрева;
14 - экраны для сбора испаряемого продукта;
15 - электрод (в том числе и гадолиниевый диск);
16 - металлические пластины для отбора целевых ионов;
17 - защитные экраны;
18 - отвальная пластина.The proposed drawings are presented:
1 - vacuum working chamber;
2 - cryostat;
3 - solenoid;
4 - a crucible;
5 - waveguide;
6 - a mirror;
7 - RF antenna;
8 - trajectory of target ions;
9 - trajectory of nonresonant ions;
10 - electron beam;
11 - electronic gun;
12 - metal pipelines (strips);
13 - zone ECR heating;
14 - screens for collecting the evaporated product;
15 - electrode (including gadolinium disk);
16 - metal plates for the selection of target ions;
17 - protective screens;
18 - dump plate.

Лучший вариант осуществления изобретения. The best embodiment of the invention.

Пример 1. Example 1

Плазменная разделительная установка включает в себя несколько основных узлов, находящихся в вакуумной рабочей камере 1, размещенной в теплом отверстии криостата 2. Это - магнитная система с высокой степенью однородности продольного магнитного поля в достаточно большом объеме (как по сечению, так и по длине), плазменный источник, ВЧ-система изотопически селективного нагрева ионов и коллектор ускоренного целевого изотопа. На чертеже показана схема предлагаемого устройства. Магнитное поле создают соленоидом 3. Для создания однородного в большом объеме магнитного поля необходимы сверхпроводящие магнитные системы (CMC). Источник плазмы (он располагается в левой части устройства) основан на испарении любого металла в тиглях 4. Для ионизации нейтральных атомов в источнике плазмы можно использовать мощные и достаточно экономичные генераторы СВЧ-излучения (клистроны, гиротроны). На чертеже показаны также устройства транспортировки микроволнового излучения в зону ионизации: волновод 5 и зеркало 6. Система селективного нагрева ионов представляет собой ВЧ-антенну 7, генерирующую в объеме плазмы переменные электрические поля с частотой, близкой или равной собственной циклотронной частоте извлекаемого ионного компонента. Испытывая резонансный ионно-циклотронный нагрев, целевые ионы приобретают высокую поперечную (по отношению к продольному магнитному полю) энергию, а следовательно, и больший по сравнению с нерезонансными ионами ларморовский радиус. Траектория целевых ионов 8 и траектория нерезонансных ионов 9 показаны на фиг.1. Длина зоны нагрева ионов должна составлять несколько метров, чтобы уменьшить времяпролетное и доплеровское уширение линии ИЦР-нагрева ионов. Предлагается использовать в ИЦР-установке для испарения гадолиния или любого другого элемента чрезвычайно эффективную методику нагрева и испарения вещества с помощью электронного пучка. Нагрев материала с целью его испарения следует производить в тигле из тугоплавкого материала, нагреваемой мощным электронным пучком 10. Для этого могут быть использованы электронные пушки 11. Транспортировку электронного пучка в такой ИЦР-установке осуществляют вдоль силовых линий магнитного поля. Силовые линии CMC прямолинейны в зоне ВЧ-нагрева и имеют конфигурацию расходящихся линий на торцах. Здесь показаны несколько таких силовых линий магнитного поля. Выбрана одна из них, проходящая на больших радиусах в нижней части рабочей камеры ИЦР-установки и не задевающая элементы конструкций CMC и рабочей камеры. В нижней части отсека плазменного источника под зоной ЭЦР-разряда в области спадающего магнитного поля ИЦР-установки установлен тигель из тугоплавкого материала (например, из Мо, Та, W и т.д.) с твердым гадолинием или другим элементом, изотопы которого разделяются таким образом, чтобы указанная ранее силовая линия проходила через поверхность предполагаемого испарения под некоторым углом к поверхности. При этом возможны несколько вариантов испарения. Можно подогревать тигель электронным пучком, распространяющимся вдоль силовой линии снизу (порт для входа пучка показан в левой части чертежа). Для этого следует изготавливать тигель из молибдена, тантала или другого тугоплавкого материала, который не взаимодействует с гадолинием, причем предусматривать возможность производить периодические перемещения электронного пучка с целью не допущения прожигания материала. Можно направлять пучок сверху непосредственно на поверхность испаряемого материала (порт для введения пучка показан в правой части чертежа), пропуская его вдоль всей вакуумной камеры с противоположного конца установки также с возможностью перемещения пучка по поверхности. Можно также использовать одновременно два электронных пучка, один из которых, распространяющийся из ближней зоны ослабленного магнитного поля снизу, подогревает тигель до умеренных температур (для Gd порядка 1000^oС), а другой, направляемый с противоположного конца установки вдоль поверхности металлической вакуумной камеры, непосредственно осуществляет испарение гадолиния или другого элемента. Тигель может быть удален и заменен новым с помощью шлюзовой системы. Следует иметь ввиду, что Gd является ферромагнитным материалом с точкой Кюри около 30^oС, вследствие чего операцию ввода тигля с Gd и размещением его в сильном магнитном поле следует проводить с подогретым до температуры 100-200^oС рабочим веществом, когда Gd становится слабо ферромагнитным. Такой предварительный подогрев может осуществляться с помощью обычного омического подогревателя с бифилярной токопроводящей системой для предотвращения перехода из парамагнитного в ферромагнитное состояние при комнатной температуре.The plasma separation unit includes several main units located in the vacuum working chamber 1, located in the warm hole of the cryostat 2. This is a magnetic system with a high degree of uniformity of the longitudinal magnetic field in a sufficiently large volume (both in cross section and in length), a plasma source, an RF system for isotopically selective heating of ions, and an accelerated target isotope collector. The drawing shows a diagram of the proposed device. A magnetic field is created by a solenoid 3. Superconducting magnetic systems (CMC) are required to create a magnetic field that is uniform in a large volume. The plasma source (it is located on the left side of the device) is based on the evaporation of any metal in the crucibles 4. To ionize the neutral atoms in the plasma source, powerful and quite economical microwave radiation generators (klystrons, gyrotrons) can be used. The drawing also shows the device for transporting microwave radiation into the ionization zone: waveguide 5 and mirror 6. The system of selective ion heating is an RF antenna 7 that generates alternating electric fields in the plasma volume with a frequency close to or equal to the natural cyclotron frequency of the extracted ion component. Undergoing resonant ion-cyclotron heating, the target ions acquire a high transverse (with respect to the longitudinal magnetic field) energy, and, consequently, a larger Larmor radius compared to nonresonant ions. The trajectory of the target ions 8 and the trajectory of nonresonant ions 9 are shown in figure 1. The length of the ion heating zone should be several meters in order to reduce the time of flight and Doppler broadening of the ICR-heating line of ions. It is proposed to use in the ICR installation for the evaporation of gadolinium or any other element an extremely effective method of heating and vaporizing a substance using an electron beam. The material should be heated to evaporate in a crucible made of a refractory material heated by a powerful electron beam 10. For this, electron guns 11 can be used. The electron beam is transported in such an ICR unit along magnetic field lines. CMC power lines are straightforward in the RF heating zone and have the configuration of diverging lines at the ends. Several such magnetic field lines are shown here. One of them was selected, passing at large radii in the lower part of the working chamber of the ICR unit and not affecting the structural elements of the CMC and the working chamber. In the lower part of the plasma source compartment under the ECR discharge zone, in the region of the decreasing magnetic field of the ICR installation, a crucible of refractory material (for example, of Mo, Ta, W, etc.) with solid gadolinium or another element whose isotopes are separated by so that the previously indicated field line passes through the surface of the intended evaporation at an angle to the surface. In this case, several evaporation options are possible. You can heat the crucible with an electron beam propagating along the field line from the bottom (the port for the entrance of the beam is shown on the left side of the drawing). For this, a crucible should be made of molybdenum, tantalum or other refractory material that does not interact with gadolinium, and it should be possible to periodically move the electron beam in order to prevent burning of the material. You can direct the beam from above directly onto the surface of the material to be evaporated (the port for introducing the beam is shown on the right side of the drawing), passing it along the entire vacuum chamber from the opposite end of the installation with the possibility of moving the beam over the surface. Two electron beams can also be used simultaneously, one of which propagating from the near zone of the weakened magnetic field from below, heats the crucible to moderate temperatures (for Gd of the order of 1000 ^° C), and the other, directed directly from the opposite end of the installation along the surface of the metal vacuum chamber, carries out the evaporation of gadolinium or another element. The crucible can be removed and replaced with a new one using a gateway system. It should be borne in mind that Gd is a ferromagnetic material with a Curie point of about 30 ^o C, as a result of which the operation of introducing a crucible with Gd and placing it in a strong magnetic field should be carried out with a working substance heated to a temperature of 100-200 ^o C, when Gd becomes weakly ferromagnetic . Such preheating can be carried out using a conventional ohmic heater with a bifilar conductive system to prevent the transition from paramagnetic to ferromagnetic state at room temperature.

Для устойчивой транспортировки электронных пучков в области вдали от поверхности вакуумной камеры необходимо использовать металлические трубопроводы или металлические полосы 12. Если пучок распространяется на расстоянии нескольких сантиметров от металлической поверхности вакуумной камеры, использование трубопроводов и других элементов для поддержания устойчивости пучка не обязательно. Однако расстояние от пучка до стенки камеры не может быть больше некоторого критического значения. Для протекания обратного тока предусмотрен электрический контакт тигля с трубопроводом или металлической стенкой камеры. For the stable transportation of electron beams in an area far from the surface of the vacuum chamber, it is necessary to use metal pipelines or metal strips 12. If the beam propagates a few centimeters from the metal surface of the vacuum chamber, the use of pipelines and other elements to maintain beam stability is not necessary. However, the distance from the beam to the chamber wall cannot be greater than a certain critical value. For the reverse current to flow, an electric contact of the crucible with the pipeline or the metal wall of the chamber is provided.

Для транспортировки пучка вдоль силовой линии, расположенной на больших радиусах цилиндрического вакуумного объема, должна быть предусмотрена такая конфигурацию элементов CMC (криостата и тепловых экранов), которая допускает беспрепятственное прохождение пучка в области неоднородного поля на торце. To transport the beam along a force line located at large radii of the cylindrical vacuum volume, a configuration of CMC elements (cryostat and heat shields) must be provided that allows the beam to pass freely in the region of the inhomogeneous field at the end.

Предлагается также осуществлять выравнивание плотности плазменного потока, генерируемого в источнике с испарением, за счет вариации интенсивности СВЧ-излучения по сечению зоны ионизации. It is also proposed to equalize the density of the plasma stream generated in the source with evaporation by varying the intensity of the microwave radiation over the cross section of the ionization zone.

Преимущество схемы испарения гадолиния или другого тугоплавкого металла, когда пар подается поперек направления последующего извлечения ионов, т.е. поперек магнитного поля, вдоль зоны ЭДР-разряда 13, связано с тем, что не успевшие ионизоваться при своем вертикальном распространении атомы испаренного вещества в основном конденсируются в специально приспособленных для этого экранах 14 вблизи зоны источника плазмы непосредственно над тиглем, а не распространяются вдоль всей рабочей камеры установки. Этот материал можно периодически извлекать и снова направлять в систему испарения. В нижней части рабочей камеры в местах, хорошо защищенных для прямого попадания потока испаряемого материала, размещены зеркала СВЧ-тракта. На электрод 15 подают отрицательный относительно плазмы потенциал для отражения электронов. В такой конструкции существенно снижается концентрация нейтральных атомов в области ВЧ-нагрева и исключаются потери, связанные с перезарядкой ускоренных целевых ионов на нейтральных атомах испаряемого вещества. The advantage of the evaporation scheme of gadolinium or other refractory metal, when the steam is fed across the direction of the subsequent extraction of ions, i.e. across the magnetic field, along the zone of the EDR discharge 13, due to the fact that the atoms of the vaporized substance that did not have time to ionize during their vertical propagation mainly condense in screens 14 specially adapted for this purpose near the plasma source zone directly above the crucible, and do not propagate along the entire working camera installation. This material can be recovered periodically and sent back to the evaporation system. In the lower part of the working chamber in places well protected for direct hit of the flow of the evaporated material, mirrors of the microwave path are placed. A negative plasma potential for electron reflection is applied to the electrode 15. In this design, the concentration of neutral atoms in the RF heating region is significantly reduced and losses associated with the recharging of accelerated target ions on the neutral atoms of the evaporated material are eliminated.

Можно использовать сразу несколько тиглей, размещенных в нижней части источника по азимуту рядом друг с другом, позволяющих осуществлять квазинепрерывный режим испарения и генерации плазменного потока. Несмотря на то, что при этом труднее достичь пространственной однородности потока, существенно возрастает эффективность ионизации, а следовательно, и средняя степень ионизации плазменного потока, вытекающего из источника. Тем не менее приемлемая однородность плазменного гадолиниевого потока в такой конструкции достигается перераспределением уровня СВЧ-мощности по высоте с помощью зеркал либо размещением нескольких испарителей, располагающихся по азимуту в нижней зоне источника плазмы. You can use several crucibles at once, located in the lower part of the source in azimuth next to each other, allowing quasi-continuous mode of evaporation and generation of a plasma stream. Despite the fact that it is more difficult to achieve spatial uniformity of the flow, the ionization efficiency increases significantly, and therefore the average degree of ionization of the plasma stream flowing from the source increases. Nevertheless, the acceptable uniformity of the plasma gadolinium flow in such a design is achieved by redistributing the microwave power level in height with the help of mirrors or by placing several evaporators located in azimuth in the lower zone of the plasma source.

За зоной нагрева в правой части установки помещена коллекторная система, представляющая собой металлические пластины для отбора целевых ионов 16, защищенные экранами 17, и поперечную к потоку отвальную пластину 18. Для получения высокой изотопической селективности необходимо, чтобы линия циклотронного поглощения энергии целевого "изотопного" иона была разрешена относительно соседних изотопов. Условие селективности может быть представлено в виде

где Δω_1/2 - полуширина линии циклотронного поглощения энергии, ω_c1 и ω_c2 - циклотронные частоты ионов соседних изотопов,

средняя циклотронная частота, прямо пропорциональная индукции В_z магнитного поля. Величина Δω_1/2 в обычных режимах при плотностях плазмы порядка 10¹²1/см³ определяется в основном доплеровским и времяпролетным уширением. Времяпролетное и доплеровское уширение хотя и можно уменьшить за счет увеличения длины зоны нагрева (т.е. длины установки), однако последнее также имеет свои ограничения стоимостного и инженерного плана. Поэтому в случае выделения изотопа Gd-157, когда необходимо разрешение линий циклотронного поглощения на уровне

в силу относительной близости циклотронной частоты иона Gd⁺-157 и циклотронных частот ионов соседних изотопов Gd⁺-156 и Gd⁺-158, разумным способом поддержания высокой степени селективности является увеличение разности циклотронных частот резонансного и нерезонансных ионов. Для этого, как следует из неравенства (1), необходимо использовать сильные магнитные поля. Однако в сильных магнитных полях осложняется работа коллекторной системы. Для понимания этого явления остановимся несколько более подробно на принципах работы коллектора, изображенного в увеличенном масштабе на фиг. 2. Плоскопараллельные отборные пластины толщиной δ располагаются на оптимальном расстоянии между пластинами d порядка среднего диаметра ларморовской окружности нагретых частиц r_LH. Невысокие передние экраны с высотой h порядка ларморовского радиуса холодных нецелевых ионов r_LC защищают пластины от потока электронов и холодных ионов нецелевого изотопа. Увеличение расстояния между пластинами коллектора d свыше величины 2r_LH будет приводить к уменьшению эффективности извлечения ценного продукта, его уменьшение ниже величины 2r_LH к снижению степени разделения. Ларморовский радиус ионов зависит от его поперечной к магнитному полю скорости V_⊥(а следовательно энергии W_⊥) и магнитной индукции B_z в соответствии со следующей зависимостью: r_L = mV_⊥H/qB_z, где m и q - масса и заряд иона. Для увеличения степени разделения на отборные пластины коллектора может подаваться положительный отталкивающий потенциал U. Величина потенциала выбирается такой, чтобы, с одной стороны, максимально уменьшить поток на пластины холодных ионов, а с другой, чтобы минимально уменьшить поток нагретых целевых ионов. Следовательно, эффективный выбор отталкивающего потенциала зависит от величины поперечной энергии нагретых частиц. Использование отталкивающего потенциала увеличивает степень разделения, но снижает количество и степень извлечения целевого изотопа. Следует также иметь в виду, что энергия ускоренных ионов должна быть ограниченной и не может превышать величину, при которой начинается эффективный процесс самораспыления собираемых ионов (т.е. не более 300-500 эВ). В сильных магнитных полях ларморовский радиус целевых ионов при сохранении их поперечной энергии на таком предельно допустимом уровне уменьшается и может оказаться слишком малым с точки зрения конструктивной возможности реализации коллекторной системы: при изготовлении коллекторной системы передний экран и коллекторные пластины должны охлаждаться и не могут иметь малые размеры или быть очень тонкими. Так, например, при разделении изотопов гадолиния в магнитных полях порядка 4 Тл средний ларморовский радиус "нагретых" ионов при их поперечной энергии W_⊥ = 200эB составляет всего около r_LH≈6 мм, а высота экрана для холодных ионов (10 эВ) должна составлять около 1 мм. Ясно, что в этих условиях само изготовление охлаждаемого водой коллектора представляет сложную конструктивную проблему. Поэтому при больших рабочих магнитных полях в зоне нагрева при сохранении поперечной энергии на уровне, предотвращающем самораспыление на коллекторе, когда необходимо сближать пластины коллектора, чтобы избежать уменьшения коэффициента извлечения ценного изотопа, становится заметной относительная доля нежелательных потерь целевых ионов на передние экраны (изготовление их очень тонкими и с малой высотой невозможно по конструктивным соображениям) по сравнению с потоками ионов на отборные пластины. Увеличение же ларморовского радиуса за счет повышения энергии ускоряемых ионов нежелательно в силу возрастания самораспыления отбираемого продукта на отборной пластине.Behind the heating zone, on the right side of the installation, a collector system is placed, which consists of metal plates for the selection of target ions 16, protected by shields 17, and a dump plate 18 transverse to the stream. To obtain high isotopic selectivity, it is necessary that the cyclotron absorption line of the energy of the target "isotopic" ion was allowed relative to neighboring isotopes. The selectivity condition can be represented as

where Δω _1/2 is the half-width of the line of cyclotron energy absorption, ω _c1 and ω _c2 are the cyclotron frequencies of ions of neighboring isotopes,

average cyclotron frequency, directly proportional to the induction B _{z of the} magnetic field. The value Δω _1/2 in ordinary conditions at plasma densities of the order of 10 ¹² 1 / cm ³ is determined mainly by Doppler and time-of-flight broadening. Although the time of flight and Doppler broadening can be reduced by increasing the length of the heating zone (i.e., the length of the installation), the latter also has its limitations in cost and engineering plan. Therefore, in the case of isolation of the Gd-157 isotope, when the resolution of the cyclotron absorption lines at the level of

due to the relative proximity of the cyclotron frequency of the Gd ⁺ -157 ion and the cyclotron frequencies of the ions of the neighboring isotopes Gd ⁺ -156 and Gd ⁺ -158, a reasonable way to maintain a high degree of selectivity is to increase the difference between the cyclotron frequencies of the resonant and non-resonant ions. For this, as follows from inequality (1), it is necessary to use strong magnetic fields. However, in strong magnetic fields, the operation of the collector system is complicated. To understand this phenomenon, let us dwell in more detail on the principles of operation of the collector, shown on an enlarged scale in FIG. 2. Plane-parallel selective plates of thickness δ are located at the optimum distance between the plates d of the order of the average diameter of the Larmor circle of heated particles r _LH . Low front screens with a height h of the order of the Larmor radius of cold non-target ions r _LC protect the plates from the flow of electrons and cold ions of a non-target isotope. An increase in the distance between the collector plates d above the value of 2r _LH will lead to a decrease in the extraction efficiency of a valuable product, its decrease below the value of 2r _{LH will} decrease the degree of separation. The Larmor radius of ions depends on its velocity V _⊥ transverse to the magnetic field (and therefore the energy W _⊥ ) and magnetic induction B _z in accordance with the following dependence: r _L = mV _{⊥ H} / _qB _z , where m and q are the ion mass and charge . To increase the degree of separation, a positive repulsive potential U can be applied to the collector’s selective plates. The potential value is chosen so as to minimize the flow of cold ions onto the plates and, on the other hand, to minimize the flow of heated target ions. Therefore, the effective choice of the repulsive potential depends on the transverse energy of the heated particles. The use of repulsive potential increases the degree of separation, but reduces the amount and degree of extraction of the target isotope. It should also be borne in mind that the energy of accelerated ions must be limited and cannot exceed the value at which the effective process of self-dispersion of the collected ions begins (i.e., not more than 300-500 eV). In strong magnetic fields, the Larmor radius of the target ions, while maintaining their transverse energy at such a maximum permissible level, decreases and may turn out to be too small from the point of view of the constructive possibility of implementing a collector system: in the manufacture of a collector system, the front screen and collector plates must be cooled and cannot be small or be very thin. For example, the separation of gadolinium isotopes in the magnetic fields of the order of 4 T. average Larmor radius "hot" ions at their transverse energy W _⊥ = 200eB is only about r _LH ≈6 mm and a screen height for cold ions (10 eV) would be about 1 mm. It is clear that under these conditions the manufacture of a water-cooled collector itself is a complex structural problem. Therefore, at high working magnetic fields in the heating zone, while maintaining the transverse energy at a level that prevents self-atomization on the collector, when it is necessary to bring together the collector plates in order to avoid a decrease in the extraction coefficient of the valuable isotope, the relative share of undesirable losses of the target ions on the front screens becomes noticeable (making them very thin and with a small height is impossible for structural reasons) compared with the flow of ions to selected plates. An increase in the Larmor radius due to an increase in the energy of accelerated ions is undesirable due to an increase in the self-dispersion of the selected product on the selected plate.

Другая трудность, возникающая при отборе продукта в условиях сильных магнитных полей, связана с уменьшением продольного размера зоны осаждения вещества в силу малого шага спирали ионов L, где L≈V_zT_c, V_z - средняя продольная скорость ионов, Т_c - период циклотронного вращения ионов, который обратно пропорционален магнитному полю. Она приводит к нежелательным локальным тепловым перегрузкам и невозможности осуществлять долговременные наработки продукта без удаления обогащенного вещества с передней кромки отборной пластины. Действительно, поскольку основной сбор обогащенного вещества осуществляется на переднюю кромку отборной пластины протяженностью L≈1 cм, через несколько часов работы сепаратора высота напыленного продукта может превысить высоту h переднего экрана и эффективность экрана упадет. (Это особенно существенно для изотопов, исходная концентрация которых высока (Gd-157, 15%)). В результате резко уменьшается разделительный аффект во время сбора материала на коллекторе из-за снижения эффективной высоты экрана.Another difficulty arising in the selection of the product under conditions of strong magnetic fields is associated with a decrease in the longitudinal size of the zone of deposition of the substance due to the small pitch of the ion spiral L, where L≈V _z T _c , V _z is the average longitudinal velocity of ions, T _c is the cyclotron period rotation of ions, which is inversely proportional to the magnetic field. It leads to undesirable local thermal overloads and the inability to carry out long-term product life without removing the enriched substance from the leading edge of the select plate. Indeed, since the main collection of the enriched substance is carried out on the leading edge of the selected plate with a length of L≈1 cm, after several hours of operation of the separator, the height of the sprayed product may exceed the height h of the front screen and the efficiency of the screen will drop. (This is especially significant for isotopes whose initial concentration is high (Gd-157, 15%)). As a result, the separation affect sharply decreases during the collection of material on the collector due to a decrease in the effective height of the screen.

Одна из трудностей, которая может возникнуть при работе коллектора, связана с конечной толщиной переднего экрана Δ. Во-первых, тот факт, что часть горячих ионов будет осаждаться на обращенной вверх поверхности, является нежелательным, поскольку уменьшает коэффициент извлечения целевого изотопа. Кроме того, в процессе работы толщина напыленного на эту поверхность продукта будет увеличиваться, препятствуя нормальной работе разделительной установки. One of the difficulties that may arise during the operation of the collector is related to the final thickness of the front screen Δ. Firstly, the fact that part of the hot ions will be deposited on the upward facing surface is undesirable since it reduces the extraction coefficient of the target isotope. In addition, during operation, the thickness of the product deposited on this surface will increase, interfering with the normal operation of the separation unit.

Как известно, при пролете нагретых ионов в промежуточной зоне спадающего поля происходит перераспределение поперечной энергии ионов W_⊥ в продольную

(это связано с действием радиальной составляющей магнитного поля

), что способствует "размазыванию" извлекаемого вещества по пластине (L≈V_zT_c) в продольном направлении и снимает трудности, связанные как с быстрым ростом толщины напыленного вещества, так и с локальными тепловыми перегрузками. Кроме того, поперечно "нагретые" в ВЧ-зоне ионы приобретают в этом процессе существенно более высокую продольную энергию, чем "холодная" составляющая. Это выражается в том, что шаг спирали винтовой траектории горячих ионов становится существенно больше соответствующей величины для холодных. Это способствует преимущественному осаждению нецелевой составляющей в начале отборной пластины, а горячей на значительно большем протяжении, что приводит к дополнительному продольному разделению на отборной пластине. Это обстоятельство позволяет при расположении плоского коллектора в зоне ослабленного магнитного поля оптимизировать высоту h переднего экрана и использовать его как средство ограничения электронного тока при подаче положительного отталкивающего потенциала U на отборную пластину (фиг 3). Последнее будет способствовать увеличению коэффициента извлечения ценного изотопа.As is known, during the passage of heated ions in the intermediate zone of a decreasing field, the transverse energy of the ions W _⊥ redistributes to the longitudinal

(this is due to the action of the radial component of the magnetic field

), which contributes to the "smearing" of the extracted substance along the plate (L≈V _z T _c ) in the longitudinal direction and removes the difficulties associated with both the rapid increase in the thickness of the deposited substance and local thermal overloads. In addition, the ions transversely “heated” in the HF zone acquire a significantly higher longitudinal energy in this process than the “cold” component. This is expressed in the fact that the spiral pitch of the helical trajectory of hot ions becomes significantly larger than the corresponding value for cold. This contributes to the preferential deposition of the non-target component at the beginning of the selection plate, and hot over a much greater extent, which leads to additional longitudinal separation on the selection plate. This circumstance makes it possible to optimize the height h of the front screen and use it as a means of limiting the electron current when applying a positive repulsive potential U to the select plate when the flat collector is located in the zone of weakened magnetic field (Fig. 3). The latter will increase the recovery rate of a valuable isotope.

Как уже отмечалось выше в области ослабленного однородного магнитного ноля процесс сбора селективно нагретых ионов с помощью системы плоскопараллельных пластин может оказаться более эффективным, чем при расположении коллектора в зоне основного магнитного поля, совпадающего по величине с рабочим полем в области нагрева ионов. Это позволяет отделить нагретый компонент от холодных нецелевых составляющих изотопной смеси в пространстве вдоль по длине коллектора. Зона однородного ослабленного поля может быть создана с помощью установки в CMC дополнительных токовых обмоток и конструктивных элементов. As already noted above, in the region of a weakened uniform magnetic field, the process of collecting selectively heated ions using a system of plane-parallel plates can be more effective than when the collector is located in the main magnetic field, which coincides in magnitude with the working field in the region of ion heating. This allows you to separate the heated component from the cold non-target components of the isotopic mixture in space along the length of the collector. A homogeneous weakened field zone can be created by installing additional current windings and structural elements in the CMC.

Можно использовать в зоне однородного ослабленного поля систему соосных цилиндрических поверхностей. It is possible to use a system of coaxial cylindrical surfaces in the area of a uniform weakened field.

С целью избежания усложнения конструкции соленоида можно располагать коллектор непосредственно в области расходящихся силовых линий магнитного поля соленоида в торцевой зоне ИЦР-установки. Для этого коллекторную систему предложено выполнить из набора соосных поверхностей вращения, образующие которых совпадают с расходящимися силовыми линиями магнитного поля. К сожалению, изготовление и точное размещение такой конструкции в зоне расходящихся силовых линий неоднородного магнитного поля может вызвать затруднения. In order to avoid complicating the design of the solenoid, it is possible to position the collector directly in the region of diverging magnetic field lines of the solenoid in the end zone of the ICR unit. For this, the collector system is proposed to be made of a set of coaxial surfaces of revolution, the generators of which coincide with diverging magnetic field lines of force. Unfortunately, the manufacture and exact placement of such a structure in the area of diverging field lines of an inhomogeneous magnetic field can cause difficulties.

В данной заявке нами описывается совершенно новый тип коллекторной системы, не предлагавшийся ранее для ИЦР-установок. Ее особенность заключается в использовании радиально расположенных коллекторных пластин. На фиг. 4 схема расположения пластин показана, если смотреть на нее со стороны потока плазмы. Такая система может быть с успехом расположена как в рабочей зоне однородного магнитного поля, так и в зоне однородного ослабленного поля, а также в зоне расходящихся силовых линий поля. Последнее особенно важно для получения изотопов Gd в промышленных масштабах. В этом случае расходящиеся силовые линии неоднородного магнитного поля оказываются параллельными собирающим пластинам. Несмотря на то, что такая система, по-видимому, несколько проигрывает плоской по эффективности из-за изменения расстояния между пластинами в радиальном направлении, ее создание и размещение существенно упрощается. Эта коллекторная система требует подачи задерживающего потенциала на собирающие пластины, чтобы исключить сбор холодных ионов, движущихся азимутально вследствие градиентного и центробежного дрейфов, и соответственно использования экранов хотя бы минимальной высоты. На фиг.5 показаны особенности сбора вещества в случае радиального коллектора. В силу радиального характера размещения коллекторных пластин расстояние между ними будет изменяться с радиусом и поэтому необходимо оптимизировать такой коллектор по разделительным свойствам с учетом среднего диаметра ларморовских окружностей нагретых ионов. In this application, we describe a completely new type of collector system, not previously offered for ICR installations. Its feature is the use of radially located collector plates. In FIG. 4, the arrangement of the plates is shown when viewed from the side of the plasma flow. Such a system can be successfully located both in the working zone of a uniform magnetic field and in the zone of a uniform weakened field, as well as in the zone of diverging field lines of force. The latter is especially important for the production of Gd isotopes on an industrial scale. In this case, the diverging lines of force of the inhomogeneous magnetic field are parallel to the collecting plates. Despite the fact that such a system, it seems, loses somewhat flat in efficiency due to a change in the distance between the plates in the radial direction, its creation and placement is greatly simplified. This collector system requires the supply of a restraining potential to the collecting plates in order to exclude the collection of cold ions moving azimuthally due to gradient and centrifugal drifts and, accordingly, the use of screens of at least minimum height. Figure 5 shows the features of the collection of substances in the case of a radial collector. Due to the radial nature of the placement of the collector plates, the distance between them will vary with the radius, and therefore it is necessary to optimize such a collector in terms of separation properties, taking into account the average diameter of the Larmor circles of heated ions.

Отметим, что предлагаемые конструкции коллекторов могут быть использованы при наработке любых изотопов металлов. Note that the proposed reservoir designs can be used in the production of any metal isotopes.

Пример 2. Example 2

Распылительный вариант источника гадолиниевой плазмы. Spray version of gadolinium plasma source.

Для решения проблемы распыления гадолиния (или любого другого разделяемого вещества с умеренными температурами плавления) применительно к промышленному варианту установки, способной разделять сотни кг/месяц исходного вещества, предлагается вообще отказаться от принудительного охлаждения катода 15 (фиг.6), используя только собственное тепловое излучение распыляемого в вакууме вещества. С этой целью необходимо сделать движущийся катод. Например, в качестве катода можно использовать массивный гадолиниевый диск большего, чем диаметр плазменного разряда, размера, который имеет возможность вращаться вокруг горизонтальной оси, смещенной вверх от оси CMC. Суть данного предложения сводится к тому, чтобы предоставить возможность распыляемому вращающемуся гадолиниевому диску охлаждаться самому за счет теплового излучения. В этом случае область ЭЦР-разряда будет обрабатывать только малую часть поверхности распыляемого диска. При вращении диска горячая распыляемая зона будет непрерывно перемещаться по поверхности диска, захватывая все новые и новые его области. Вследствие тепловой инерции вышедшее из под ионной бомбардировки горячее "пятно" еще некоторое время будет испускать тепло как серое тело со скоростью εσT⁴ Вт/м², где ε - степень черноты поверхности, σ - постоянная Стефана-Больцмана, Т - абсолютная температура поверхности пятна. При достаточной величине скорости вращения диска падающая на него тепловая мощность будет сниматься за счет теплового излучения практически всей поверхности гадолиниевого диска при температуре зоны распыления, весьма далекой от точки плавления. В нижней части рабочей вакуумной камеры 1 размещены узлы гиротронного комплекса - волновод 5 и зеркала 6. В качестве затравочного "газа" используют пары легкоиспаряемых веществ, нагреваемых в обычном тигле 4. При этом используются собирающие вещество пластины 14 в верхней части камеры источника. Для фиксации и ограничения зоны распыления "движущегося" катода - гадолиниевого диска необходимо использование ограничительной диафрагмы 19. Использование массивного гадолиниевого диска решает попутно проблемы рабочего вещества в количестве, необходимом для непрерывной работы в течение длительного промежутка времени. В предлагаемом распылительном варианте гадолиниевого источника предусмотрена возможность предварительного перед включением основного магнитного поля прогрева (до невысоких температур (~ 350 К) распыляемого диска с целью уменьшения его ферромагнитных свойств. При использовании такой конструкции для разделения неферромаганитных материалов указанные предосторожности являются излишними.To solve the problem of sputtering gadolinium (or any other separable substance with moderate melting points) in relation to the industrial version of the installation, capable of separating hundreds of kg / month of the starting substance, it is proposed to completely abandon forced cooling of the cathode 15 (Fig.6), using only its own thermal radiation vacuum sprayed substance. To this end, it is necessary to make a moving cathode. For example, as a cathode, you can use a massive gadolinium disk larger than the diameter of the plasma discharge, a size that can rotate around a horizontal axis, shifted upward from the CMC axis. The essence of this proposal is to enable the sprayed rotating gadolinium disk to cool by itself due to thermal radiation. In this case, the ECR discharge region will process only a small part of the surface of the sprayed disk. When the disk rotates, the hot spray zone will continuously move along the surface of the disk, capturing more and more of its area. Owing to thermal inertia, the hot “spot” emerging from under the ion bombardment will still emit heat like a gray body at a speed εσT ⁴ W / m ² , where ε is the degree of surface blackness, σ is the Stefan-Boltzmann constant, and T is the absolute temperature of the spot surface . If the disk rotation speed is sufficient, the thermal power incident on it will be removed due to the thermal radiation of almost the entire surface of the gadolinium disk at a temperature of the spray zone that is very far from the melting point. The nodes of the gyrotron complex — the waveguide 5 and the mirror 6 — are placed in the lower part of the working vacuum chamber 1. As a seed “gas”, pairs of easily evaporated substances heated in an ordinary crucible 4 are used. The material collecting plates 14 are used in the upper part of the source chamber. To fix and limit the spraying zone of the “moving” cathode — the gadolinium disk, a restriction diaphragm 19 is necessary. The use of a massive gadolinium disk simultaneously solves the working substance problems in the quantity necessary for continuous operation over a long period of time. In the proposed spraying variant of the gadolinium source, it is possible to preliminarily preheat the main magnetic field to warm up (to low temperatures (~ 350 K) the sprayed disk in order to reduce its ferromagnetic properties. When using this design to separate non-ferromagnetic materials, these precautions are unnecessary.

Промышленная применимость. Industrial applicability.

Следует отметить, что основные и наиболее дорогостоящие структурные элементы плазменной установки - сверхпроводящая магнитная система, гиротроны, ВЧ-геператор и вакуумное оборудование в настоящее время являются достаточно разработанными и испытанными устройствами. Последнее является существенным аргументом в пользу применения для разделения изотопов гадолиния и некоторых стабильных изотопов в промышленных масштабах именно плазменного метода. It should be noted that the main and most expensive structural elements of a plasma installation - a superconducting magnetic system, gyrotrons, high-frequency heperator and vacuum equipment are currently quite developed and tested devices. The latter is a significant argument in favor of the use of the plasma method for the separation of gadolinium isotopes and some stable isotopes on an industrial scale.

Наиболее выгодно получать в больших количествах на основе ИЦР-метода такие стабильные изотопы, как кальций-48, палладий-102, неодим-150, гадолиний-157 и таллий-203. It is most advantageous to obtain in large quantities on the basis of the ICR method such stable isotopes as calcium-48, palladium-102, neodymium-150, gadolinium-157 and thallium-203.

Claims

1. A method for separating stable isotopes in a plasma by the ion-cyclotron resonance method, in which a plasma containing ions comprising atoms of an element having at least two isotopes is placed in a constant magnetic field and exposed to an alternating perpendicular magnetic field with a frequency corresponds to the cyclotron frequency of the ions of the target isotope for the preferential acceleration of these ions in such a way that the ions of the accelerated target isotope move along untwisting spiral trajectories with transverse energies significantly exceeding the energy of non-accelerated ions of other isotopes, then the ions of the accelerated target isotope are separated from non-accelerated ions, characterized in that the plasma is preliminarily created by ionizing the vapors of an element whose isotopes are separated, obtained by evaporation using an electron beam, direct the formed plasma stream along a constant the magnetic field and accelerated ions of the target isotope are separated from the remaining ions in the zone of the weakened magnetic field with diverging magnetic silt lines.

2. The method according to claim 1, characterized in that the electron beam is directed along the field line of a constant magnetic field directly to the surface of the evaporated element with the possibility of its movement on the surface.

3. The method according to claim 1, characterized in that the electron beam is directed along the field line of a constant magnetic field from the bottom of the evaporated element.

4. The method according to claim 1, characterized in that two electron beams are simultaneously directed along the power line of the constant magnetic field, one of which leaves the zone of weakened magnetic field from below the evaporated element, and the other from above the evaporated element.

5. A device for the separation of stable isotopes in a plasma by the ion-cyclotron resonance method, including a vacuum working chamber located in a superconducting magnetic system containing a plasma source, means for transporting microwave radiation into the ionization zone, and a collector system consisting of screens, metal plates for selecting target ions and at least one dump plate, characterized in that the plasma source contains a crucible with an evaporated element, an electron gun, allowing Revai evaporate and separating elements a zone of electron cyclotron discharge conveyor means are a microwave waveguide and the mirror, and a collector system located behind the heating area in an area of weakened homogeneous magnetic field, wherein the metal plates for the selection of target ions are arranged radially relative to each other.

6. The device according to claim 5, characterized in that the collector system is located in the area of diverging magnetic field lines of force.

7. The device according to claim 5, characterized in that a gadolinium or any other disk of a separable substance, the diameter of which is larger than the diameter of the plasma discharge, placed with the possibility of rotation around a horizontal axis shifted up from axis of a superconducting magnetic system.