RU2802737C1 - Ion source for electromagnetic mass separator of transuranian element isotopes - Google Patents
Ion source for electromagnetic mass separator of transuranian element isotopes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2802737C1 RU2802737C1 RU2022128988A RU2022128988A RU2802737C1 RU 2802737 C1 RU2802737 C1 RU 2802737C1 RU 2022128988 A RU2022128988 A RU 2022128988A RU 2022128988 A RU2022128988 A RU 2022128988A RU 2802737 C1 RU2802737 C1 RU 2802737C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion source
- discharge chamber
- working substance
- gas
- crucible
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к источникам ионов и может быть использовано в технологии электромагнитного разделения изотопов трансурановых элементов.The invention relates to ion sources and can be used in the technology of electromagnetic separation of isotopes of transuranic elements.
Актуальность проблемы основана на необходимости использования в традиционных источниках ионов для промышленного электромагнитного разделения изотопов устройств с повышенной разрешающей способностью для достижения высокой эффективности процесса Это было продиктовано тем, что такие источники ионов были, как правило, основаны на конструкции калютрона (J. Koch. Electromagnetic isotope separators and applications of electromagnetically enriched isotopes. North-Holland. Amsterdam. 1958), представляющего собой масс-спектрометр, применявшийся ранее для разделения или обогащения изотопов урана в микрограммовом измерении, потребляющий много энергии и характеризующиеся низкой производительностью. Главным ограничением в их использовании являлась склонность к «шумящему» разряду, которая ведет к уменьшению степени нейтрализации пространственного заряда пучка и требует тщательной оптимизации параметров разряда для достижения существования спокойной плазмы. В случае необходимости достижения эффективного разделения изотопов требуется высокая разрешающая способность.The urgency of the problem is based on the need to use devices with increased resolution in traditional ion sources for industrial electromagnetic isotope separation to achieve high process efficiency. This was dictated by the fact that such ion sources were, as a rule, based on the calutron design (J. Koch. Electromagnetic isotope separators and applications of electromagnetically enriched isotopes. North-Holland. Amsterdam. 1958), which is a mass spectrometer previously used for separating or enriching uranium isotopes in microgram measurements, consuming a lot of energy and characterized by low productivity. The main limitation in their use was the tendency to produce a “noisy” discharge, which leads to a decrease in the degree of neutralization of the space charge of the beam and requires careful optimization of the discharge parameters to achieve the existence of a quiet plasma. If it is necessary to achieve efficient isotope separation, high resolution is required.
Из уровня техники известно устройство источника ионов, относящегося к ускорительной технике (патент РФ №2716823, МПК H01J 27/22, публ. 17.03.2020 г.), включающее эммитерный узел, в составе которого имеется катодный электрод из высокопроводного металла, на который нанесены последовательно слои рабочего вещества (щелочно-земельного или редкоземельного металла) и твердого электролита на основе керамики, и слой углерода в качестве материала анода. В результате работы устройства повышается эффективность процесса за счет формирования потоков ионов высокой интенсивности и плотности ионного тока с заданной зарядностью (образуются двухзарядные ионы металлов), за счет чего повышается эффективность использования рабочего вещества.From the prior art, a device for an ion source related to accelerator technology is known (RF patent No. 2716823, IPC H01J 27/22, published March 17, 2020), including an emitter unit, which contains a cathode electrode made of a high-conductivity metal, on which are applied successively layers of the working substance (alkaline earth or rare earth metal) and a solid electrolyte based on ceramics, and a layer of carbon as the anode material. As a result of the operation of the device, the efficiency of the process increases due to the formation of ion flows of high intensity and ion current density with a given charge (double-charged metal ions are formed), thereby increasing the efficiency of using the working substance.
Известен источник ионов (патент РФ №2034336, МПК H01J 37/08, публ. 30.04.1995 г.), содержащий разрядную камеру, катод, анод и электрод отражателя при использовании осциллирующего режима дугового разряда.An ion source is known (RF patent No. 2034336, IPC H01J 37/08, published April 30, 1995), containing a discharge chamber, a cathode, an anode and a reflector electrode when using an oscillating arc discharge mode.
Известен в качестве прототипа заявляемого устройства источник ионов Фримана, используемый для разделения изотопов в 180° электромагнитном масс-сепараторе, в котором разрядная камера, тигель с рабочим веществом и нагреватели объединены в единый блок, устанавливаемый на унифицированной базовой конструкции (А.I. Kolosov, et al. Ions sources of solids tor the mass-separator "KINRIS". "Problems of atomic science and technology". 2008. №5. p. 81-84). Для создания необходимого давления паров рабочего вещества и устойчивого горения разряда, газоразрядная камера и тигель с рабочим веществом нагреваются тепловым излучением от двух цилиндрических нагревателей активного сопротивления со спиралью из никелевой хромированной проволоки (NiCr 20/80) с мощностью подогрева до 1250 Вт. Газоразрядная камера и тигель с рабочим веществом соединены паропроводом. В данном источнике скорость поступления паров рабочего вещества регулируется только мощностью подогрева нагревателей, что допускает более существенные потери рабочего вещества в переходный период. Присутствуют также значительные сложности при замене рабочего вещества, в источнике ионов и его ремонте копирующими манипуляторами.Known as a prototype of the proposed device is a Freeman ion source used to separate isotopes in a 180° electromagnetic mass separator, in which a discharge chamber, a crucible with a working substance and heaters are combined into a single unit mounted on a unified basic structure (A.I. Kolosov, et al. Ions sources of solids tor the mass-separator "KINRIS". "Problems of atomic science and technology". 2008. No. 5. p. 81-84). To create the required vapor pressure of the working substance and stable combustion of the discharge, the gas-discharge chamber and the crucible with the working substance are heated by thermal radiation from two cylindrical active resistance heaters with a spiral of nickel chrome-plated wire (NiCr 20/80) with a heating power of up to 1250 W. The gas discharge chamber and the crucible with the working substance are connected by a steam line. In this source, the rate of supply of working substance vapor is regulated only by the heating power of the heaters, which allows for more significant losses of the working substance during the transition period. There are also significant difficulties when replacing the working substance, in the ion source and its repair with copying manipulators.
К недостаткам известных аналогов относится достаточно высокая сложность устройств и как следствие недостаточно высокая надежность работы.The disadvantages of the known analogues include the rather high complexity of the devices and, as a consequence, insufficiently high operational reliability.
Техническим результатом является применение ионного источника для разделения изотопов трансурановых элементов (включая калифорний), упрощение конструкции источника ионов, повышение надежности его работы и увеличение эффективности использования рабочего вещества, подаваемого в разрядную камеру источника ионов.The technical result is the use of an ion source for separating isotopes of transuranium elements (including californium), simplifying the design of the ion source, increasing the reliability of its operation and increasing the efficiency of using the working substance supplied to the discharge chamber of the ion source.
Указанный технический результат обеспечен тем, что, в отличие от известного источника ионов, содержащего газоразрядную камеру, термокатод с нитью накала, тигель с рабочим веществом и нагреватель, согласно изобретению нагреватель выполнен в виде плоского прямоугольного керамического элемента, расположенного за съемным плоским тиглем с рабочим веществом, одна из стенок которого является стенкой газоразрядной камеры.This technical result is ensured by the fact that, unlike the known ion source containing a gas-discharge chamber, a hot cathode with a filament, a crucible with a working substance and a heater, according to the invention the heater is made in the form of a flat rectangular ceramic element located behind a removable flat crucible with a working substance , one of the walls of which is the wall of the gas-discharge chamber.
В предложенном источнике ионов технический результат реализуется за счет применения плоского керамического нагревателя и съемного плоского тигля рабочим веществом, одна из стенок которого является стенкой газоразрядной камеры, что позволяет оптимизировать подачу рабочего вещества в разряд газоразрядной камеры, упрощает конструкцию и повышает надежность работы источника ионов.In the proposed ion source, the technical result is realized through the use of a flat ceramic heater and a removable flat crucible with a working substance, one of the walls of which is the wall of the gas-discharge chamber, which allows optimizing the supply of the working substance into the discharge of the gas-discharge chamber, simplifies the design and increases the reliability of the ion source.
Принципиальным отличием предлагаемой конструкции источника ионов Фримана является использование нагревателя выполненного в виде плоского прямоугольного керамического элемента, расположенного за съемным плоским тиглем с рабочим веществом, одна из стенок которого является стенкой газоразрядной камеры.The fundamental difference of the proposed design of the Freeman ion source is the use of a heater made in the form of a flat rectangular ceramic element located behind a removable flat crucible with a working substance, one of the walls of which is the wall of the gas-discharge chamber.
Предлагаемая конструкция источника ионов представлена на фиг. 1. Конструкция источника ионов включает в себя: компактный блок газоразрядной камеры 8; съемный тигель с рабочим веществом 1; плоский керамический нагревательный элемент 3; проволочный термокатод из танталовой проволоки диаметром 1,5 мм 9, расположенный параллельно эмиссионной щели 10 на расстоянии 4 мм; отражатели электронов из тантала 5; магнит 6, создающий магнитное поле напряженностью до 0,02 Тл параллельно эмиссионной щели; прямоугольная танталовая крышка 11 с эмиссионной щелью. Термокатод изолирован от газоразрядной камеры двумя изоляторами 7, изготовленными из нитрида бора. Для снижения тепловых потерь за счет излучения вокруг разрядной камеры размещен теплоотражающий экран. Температура в газоразрядной камере контролируется термопарой. Газоразрядная камера держится на токовводах. Для запуска ионного источника газ аргон подается по танталовой трубке в газораспределительную камеру 4 со множеством отверстий для равномерного поступления газа в газоразрядную камеру.The proposed design of the ion source is shown in Fig. 1. The design of the ion source includes: a compact block of gas-
После зажигания газового разряда корпус газоразрядной камеры разогревается и пары хлорида рабочего вещества из полости через отверстие 2 начнут поступать в разряд. Основным источником нагрева служит излучение термокатода. Тонкая регулировка температуры разрядной камеры и поступления пара рабочего вещества в разряд осуществляется плоским нагревательным элементом.After the gas discharge is ignited, the body of the gas-discharge chamber heats up and vapors of the working substance chloride from the cavity through
Известно, что стоимость трансурановых элементов (таких как калифорний) очень высока, что предполагает использование в источниках ионов конструктивных решений, направленных на более эффективное использования рабочего вещества и минимизацию потерь. Эффективность использования вещества определяется режимами работы источника, и, в том числе, уменьшением потерь рабочего вещества, в процессе так называемого «переходного» режима от начала работы до выхода на рабочий режим. В данном источнике ионов минимизация потерь в течение времени «переходного» режима осуществляется изменением мощности плоского керамического нагревателя 3, расположенного за тиглем 1. Невысокая мощность такого нагревателя является преимуществом, поскольку позволяет при стандартных источниках питания более точно и плавно регулировать температуру нагревателя и газоразрядной камеры, что позволяет ускорить время выхода источника ионов на рабочий режим и уменьшить потери рабочего вещества за время «переходного» режима.It is known that the cost of transuranium elements (such as californium) is very high, which suggests the use of design solutions in ion sources aimed at more efficient use of the working substance and minimizing losses. The efficiency of using a substance is determined by the operating modes of the source, including the reduction of losses of the working substance during the so-called “transition” mode from the start of operation to reaching the operating mode. In this ion source, minimizing losses during the “transition” mode time is carried out by changing the power of a flat
Возможность промышленной реализации предлагаемого источника ионов подтверждена следующим примером.The possibility of industrial implementation of the proposed ion source is confirmed by the following example.
Пример 1. В лабораторных условиях были проведены экспериментальные исследования по использованию предлагаемого устройства источника ионов, выполненного как это показано на фиг. 1.Example 1. Experimental studies were carried out in laboratory conditions on the use of the proposed ion source device, designed as shown in Fig. 1.
Первоначально осуществлялся запуск ионного источника путем подачи аргона в газораспределительную камеру 4, откуда газовый поток поступает в газоразрядную камеру 8. Затем проводили зажигание тепловым потоком, поступающим с керамического нагревательного элемента 3, подогреваемого теплом при излучении термокатода 9. Температура в газоразрядной камере контролируется термопарой.Initially, the ion source was started by supplying argon to the
После зажигания газового разряда корпус газоразрядной камеры 8 с размещенным в ней рабочим веществом разогревается и пары хлорида металла рабочего вещества из полости тигля 1 через отверстие 2 поступают в разрядную камеру 8. Регулированием мощности нагрева керамического нагревателя 3, обеспечивающего нагрев тигля 1, достигается ускорение выхода источника ионов на рабочий режим, за счет чего минимизируются потери рабочего вещества за время «переходного режима».After ignition of the gas discharge, the body of the gas-
Для данной конструкции источника ионов были проведены численные теплофизические расчеты, которые показали, что для предлагаемой конструкции ионного источника максимально достижимая температура нагрева тигля составляет 1070 К, что достаточно, в частности, для использования в качестве исходного вещества хлорида калифорния с температурой плавления 818 К и десорбции калифорния с поверхности стенок газоразрядной камеры.For this ion source design, numerical thermophysical calculations were carried out, which showed that for the proposed ion source design, the maximum achievable crucible heating temperature is 1070 K, which is sufficient, in particular, for using californium chloride with a melting point of 818 K as a starting material and desorption California from the surface of the walls of the gas-discharge chamber.
Упрощение конструкции источника ионов и повышение надежности его работы достигается тем, что газоразрядная камера, тигель с рабочим веществом, плоский керамический нагреватель объединены в компактный блок, устанавливаемый на цилиндрических токовводах. Каждый из этих элементов конструктивно выполнен отдельно съемным, что позволяет производить полную разборку блока и/или быструю замену любого элемента копирующими манипуляторами. Это также упрощает замену тигля с отработанным рабочим веществом на новый с полной загрузкой без снятия всех остальных элементов.Simplifying the design of the ion source and increasing the reliability of its operation is achieved by the fact that the gas-discharge chamber, crucible with the working substance, and flat ceramic heater are combined into a compact unit mounted on cylindrical current leads. Each of these elements is structurally made separately removable, which allows for complete disassembly of the block and/or quick replacement of any element using copying manipulators. This also simplifies the replacement of a crucible with a spent working substance with a new one with a full load without removing all other elements.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2802737C1 true RU2802737C1 (en) | 2023-08-31 |
Family
ID=
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2054495C1 (en) * | 1992-06-19 | 1996-02-20 | Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-Технический Институт" | Gallium arsenide monocrystal growing method for manufacturing integrated circuit substrates |
RU2063088C1 (en) * | 1993-12-06 | 1996-06-27 | Комбинат "Электрохимприбор" | Ion source |
EP0439220B1 (en) * | 1990-01-23 | 1996-11-13 | Consorzio per la Ricerca sulla Microelettronica nel Mezzogiorno - CoRiMMe | Device for the ionization of metals having a high melting point, which may be used on ion implanters of the type using ion sources of Freeman or similar type |
RU2180146C1 (en) * | 2000-10-11 | 2002-02-27 | Государственное унитарное предприятие, комбинат "Электрохимприбор" | Ion source |
RU2344575C2 (en) * | 2003-07-16 | 2009-01-20 | Кэнтэл Лимитед | Silicon-carbid heating elements |
GB2471249A (en) * | 2008-03-28 | 2010-12-22 | Thermo Fisher Scient | Device for preparing a gas flow for introduction thereof into a mass spectrometer |
RU2647966C2 (en) * | 2015-10-20 | 2018-03-21 | Акционерное общество "Ульбинский металлургический завод" | Device for fabrication the tantalum dust |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0439220B1 (en) * | 1990-01-23 | 1996-11-13 | Consorzio per la Ricerca sulla Microelettronica nel Mezzogiorno - CoRiMMe | Device for the ionization of metals having a high melting point, which may be used on ion implanters of the type using ion sources of Freeman or similar type |
RU2054495C1 (en) * | 1992-06-19 | 1996-02-20 | Национальный Научный Центр "Харьковский Физико-Технический Институт" | Gallium arsenide monocrystal growing method for manufacturing integrated circuit substrates |
RU2063088C1 (en) * | 1993-12-06 | 1996-06-27 | Комбинат "Электрохимприбор" | Ion source |
RU2180146C1 (en) * | 2000-10-11 | 2002-02-27 | Государственное унитарное предприятие, комбинат "Электрохимприбор" | Ion source |
RU2344575C2 (en) * | 2003-07-16 | 2009-01-20 | Кэнтэл Лимитед | Silicon-carbid heating elements |
GB2471249A (en) * | 2008-03-28 | 2010-12-22 | Thermo Fisher Scient | Device for preparing a gas flow for introduction thereof into a mass spectrometer |
RU2647966C2 (en) * | 2015-10-20 | 2018-03-21 | Акционерное общество "Ульбинский металлургический завод" | Device for fabrication the tantalum dust |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
KOLOSOV A.I, Ions sources of solids tor the mass-separator "KINRIS". "Problems of atomic science and technology". 2008. 5. p. 81-84. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2802737C1 (en) | Ion source for electromagnetic mass separator of transuranian element isotopes | |
EP0291341B1 (en) | Vaporizer system for ion source | |
US4218633A (en) | Hydrogen hollow cathode ion source | |
Yamada | Development of an Electron Attachment Type Negative Fullerene Ion Source | |
JP3717655B2 (en) | Plasma generator and thin film forming apparatus | |
US4135093A (en) | Use of predissociation to enhance the atomic hydrogen ion fraction in ion sources | |
US4087720A (en) | Multi-beam, multi-aperture ion sources of the beam-plasma type | |
Bashkeev et al. | Continuously operated negative ion surface plasma source | |
RU2401521C1 (en) | Plasma accelerator with closed hall current (versions) | |
RU2151438C1 (en) | Ribbon-beam ion plasma source (design versions) | |
JPH0554809A (en) | Silicon ion source with built-in crucible | |
Burgman et al. | Ion source for radioisotope separation | |
JPH051895Y2 (en) | ||
He et al. | Study on high intensity high charge state lead ion beam production and optimize | |
SU529712A1 (en) | Metal ion source | |
JPH0554812A (en) | Ion source | |
US3678323A (en) | Hydrogen ion beam generating electrode | |
RU2084985C1 (en) | Plasma beam s h f device | |
RU170029U1 (en) | DEVICE FOR CREATING A METAL PLASMA FLOW | |
Yamashita et al. | Extraction of high current Cr ion beam from a multicusp metal ion source | |
Jacquot et al. | Negative ion production in large volume source with small deposition of cesium | |
WO2022186717A1 (en) | Electronically controllable plasma electric generator | |
CN117831826A (en) | Ca ion generation method suitable for ECR ion source device | |
RU2347943C1 (en) | Gas-tube engine for space crafts | |
TW202335015A (en) | Ion source and ion implantation system |