SU1580456A1 - Способ диагностики компенсации зар да в ионных пучках магнитного сепаратора - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к промышленному обогащению изитопов химических элементов электромагнитным способом, в частности к диагностике состо ни  компенсации интенсивных пучков в промышленных магнитных сепараторах. Цель изобретени  - определение причин декомпенсации электрического зар да в изотопных пучках сепаратора и повышение качества изотопной продукции. Предлагаемый способ диагностики состоит в "мгновенной" декомпенсеции пучка импульсом длительностью 1 мкс, 25 В амплитудой и частотой их следовани  не более 4 кГц. При этом излучают св зь между колебани ми тока (и плотности) в пучке и потенциалом его в фазе компенсации и декомпенсации. Причиной развити  колебаний в токе и декомпенсации зар да в большем числе случаев  вл ютс  конвективные неустойчивости, развивающиес  в плотной пучковой плазме. 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к промышленному разделению (обогащени ) стабильных химических элементов на изотопы, в частности к диагностике состо ни  компенсации электрического зар да в изотопных пучках сепараторов.

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей за счет определени  природы возникновени  колебаний в изотопных пучках.

На фиг.1 дано устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство включает газоразр дную камеру 1 источника ионов, пластины 2, с помощью которых осуществл ют вывод из пучка части электронов (пластины подключены к генератору 3 пр моугольных импульсов), устройство 4 в виде изолированных молибденовых стержней дл  измерени  переменной и посто нной составл ющих плотности тока пучка, подвижную установку 5 дл  комплексного измерени  параметров пучка, устройство 6 дл  измерени  потенциала пучка на середине его длины, пластины 7 дл  диагностики пучка, приемник 8 изотопных пучков, 9 источника. Эмитируемые катодом электроны через отверсти  10 ввод тс  в разр дную камеру. Образующиес  ионы через выходную щель

сл

00

4

СЛ О5

11 источника ввод тс  в камеру масс- Јепаратора в виде пучка 12. Импульс с генератора 3 и переменна  или посто нна  составл ющие ионного- тока на приемнике 8 подаютс  на импульсный осциллограф 13.

Па Лиг.2 представлены: а - осциллограммы силы тока отдельного изотопного пучка Fc+; б - переменна  составл юща  тока Зк (показаны также йр моугольные импульсы в нижних част х осциллограмм).

Дл  повышени  производительности рри разделении изотопов в масс-сепа- Ј аторах используют пучки с высокой Интенсивностью ионных токов. Возни- ающий при этом объемный зар д компенсируетс  электронами, образующимис  при взаимодействии быстрых ионов Пучка с молекулами остаточного газа, tip и значительной интенсивности воз- цикают колебани  ионных токов. Эти Колебани  могут быть вызваны различными причинами, например колебани ми тока разр да в источнике ионов. Если колебани  св заны с локальным расширением пучков, то они могут привести к снижению качества разделени  изотопов в электромагнитных установках. Вместе с тем колебательные  влени  могут возникнуть непосредственно и в пучковой плазме за источником ионов из-за пучковой кинематической неустойчивости плазмы самого пучка. Переменные во времени пол  волн неустойчивости модулируют в токе пучка переменную составл ющую. Знание природы возникновени  колебаний в изотопных пучках позвол ет повысить качество изотопной продукции и производительность электромагнитных установок .

Способ осуществл ют следующим образом.

При выходе сепаратора на рабочий режим провод т измерени  потенциала пучка и интенсивности тока изотопного пучка в карман приемника и его колебани . Далее осуществл ют быстрый вывод части электронов компенсации из пучка импульсом положительног потенциала длительностью не более одной микросекунды из начального участка пучка с плотной пучковой плазмой с амплитудой свыше 25В.

Вывод электронов компенсации коротким положительным импульсом позвл ет достоверно и непосредственно

5

0

5

0

5

0

5

0

5

установить,  вл ютс  ли колебани  в токе и плотности тока пучка в дрейфе (т.е. за оптикой источника) органически присущими пучку и получены пучком в момент выт гивани  ионов полем оптики из газоразр дной плазмы источника или указанные колебани  приобретены пучком уже после прохождени  оптики, т.е. в дрейфе. Операци  воздействи  на пучок импульсом положительной пол рности в дрейфе в районе оптики в плотной пучковой плазмой не воздействует на пучок и на по вление или исчезновение рассматриваемых колебаний в пучке.

Установлено, что в подавл ющем числе случаев колебани  в токе пучка возникают в области дрейфа. Импульс пр моугольной формы дл  мгновенного возмущени  компенсации пучка наиболее подход щ. Врем  нарастани  фронта потенциала и убывание его практически равны нулю. Очень малое врем  нарастани  фронта импульса не позвол ет успеть пучковой плазме осуществить защиту плазмы от высасывани  электронов за счет возрастани  потенциала плазмы в пространстве с пронизывающим ее пучком. Потенциал пространства плазмы через некоторое врем  (врем  релаксации) становитс  выше потенциала возмущающего импульса - 25В. Отсос электронов прекращаетс . Колебани  в плазме и в пучке вход т в обычный режим. Если ширина (длительность ) импульса будет более одной микросекунды, то момент восстановлени  нейтрализации (компенсации) зар да в пучке начнетс , когда в пучке накопитс  уже вторичный электронный зар д (конечно вместе с вторичным ионным зар дом) и св зь между колебани ми тока быстрых ионов пучка и потенциалом (компенсацией) пучка будет потер на, точнее завуалирована вторичным, зар дом.

Амплитуда импульса в этой операции выбрана в 25 В потому, что пучкова  плазма под воздействием внешнего электрода (относительно плазмы) принимает более высокий положительный потенциал, чем потенциал электрода (внешнего). Это защищает плазму от разделени  зар дов и ее разрушени . Поскольку декомпенсирующий импульс длитс  одну микросекунду и плазма не успевает среагировать на это защитным увеличением потенциала,

то за счет отсоса электронов потенциал объема пучка достигнет значений зондирующего импульса, т.е. 25В. Но это как раз тот максимальный (пороговый ) потенциал пространства пучка, который дает предел возможности использовать изотопные пучки в цел х качественного разделени  изотопов в магнитных сепараторах.

Воздействие импульса осуществл ют на пучок в его начальном участке с плотной пучковой плазмой. Это обусловлено тем, .что, как показали первые испытани  предлагаемого способа, в плотности тока и,токе быстрых ионов генерирует плотна  пучкова  плазма, сконцентрированна  на его начальном участке (там, где пучок интенсивно ионизует неионизованный пар источника при выходе его через рабочую щель одновременно с еще не разошедшимс  по углу плотным ионным пучком). В плотной пучковой плазме при прохождении быстрого пучка ионов возникает плазменна  кинетическа  неустойчивость (волновой колебательный процесс с большим декрементом нарастани  амплитуды волны), электрические переменные пол  которой .сбивают ионы пучка с предписанных им магнитным полем траекторий.

Хаотические колебани  в токе быстрых ионов пучка в карман возникают потому, что сброшенные со своих траекторий ионы пучка (их некотора  часть, где развилась неустойчивость) не попадают в карман. По окончании (затухании ) неустойчивости ионы на этих траектори х возвращаютс  в карман, так как траектории восстанавливают свое положение. Все это на экране осциллографа фиксируетс  как шумовые колебани  (т.е. колебани  нерегул рные по фазе, частоте и амплитуде). Таким образом неустойчивости в пучковой плазме трансформируютс  в колебани  тока и плотности тока быстрых ионов и могут вли ть на компенсацию зар да в пучке.

Частоту следовани  декомпенсирую- щих импульсов выбирают равной или меньше частоты восстановлени  компенсации зар да пучка электронами:

комп 2 1дек+ I-колло

,

где v , DKO/VM-T врем  декомпенсации и восстановлени 

0

5

0

5

0

5

компенсации пучка (Фиг.2).

Измерени  и сопоставление колебании и степени декомпенсации производ т так: синхронно с подачей в пучок декомпенсирукнцих импульсов измер ют переменную составл ющую тока пучка в фазах компенсации и декомпенсации (ЈдЈ,к+ ) и сопоставл ют эти колебани  с поведением потенциала пучка через измерение во времени его силы тока.

Медленное изменение тока пучка, характеризующее изменение тока пучка, попадающего в карман вследствие динамики декомпенсации в отличие от случа  с высокочастотной переменной составл ющей , возникшей в пучке вследствие неустойчивости в пучковой плазме, не отфильтровываютс . После фильтрации наблюдают осциллографом ток пучка с переменной составл ющей. Фотографируют эти две последовательные серии измерений, сопоставл ют колебани , их характер и делают выводы относительно истинной природы колебаний и фактического вли ни  их на состо ние компенсации зар да пучка, т.е. производ т достоверную диагностику пучка.

Па фиг.2а сверху показано изменение тока пучка в карман при отфильтрованной (относительно высокочастотной ) переменной составл ющей, т.е. эти осциллограммы отражают изменени  силы тока пучка под действием компенсации: по мере восстановлени  компенсации пучок в фокусе сужаетс  и все больша  часть его проникает в карман. После установлени  компенсации ток пучка насыщаетс .

На нижний канал осциллографа включено напр жение пр моугольных импульсов (от генератора 26-И). Частота следовани  импульсов 500 Гц. Из верхней осциллограммы тока (в отфильтрованной переменной составл ющей) ло.гко определить врем  декомпенсации пучка

дек

врем  восстановлени  компенсации ч,компи врем , в течение которого пучок пребывает в компенсированном состо нии /а Ј до начала декомпенсации следующим импульсом .(их частота следовани  500 Гц). На фиг 2а переменна  составл юща  не отфильтровываетс  (фиг.1 и 2).

Из осциллограммы без отфильтрованной компоненты тока следует, что

моменту подали AeKOMneHcupvroiuero на пучок потенциала соответствует почти полное исчезновение колебаний в токе пучка.

Таким образом установлено, что колебани  в токе и плотности тока пучка приобретены пучком в районе, где электрическое поле линз оптики не нарушает компенсацию, если она долж- на возникать. Колебани  тока в пуч- к|2 (их частота и интенсивность) не всегда  вл ютс  показателем степени декомпенсации пучка. Важна природа этих колебаний.

С помощью предлагаемого способа осуществл лс  контроль при промышленном накоплении обогащенных изотопов цинка в услови х, когда макси- мальный потенциал пучка сохран лс  посто нным и .равным не более 20 в.. но относительна  амплитуда колеба- ручка Eh на приемнике заметно различалась 43XZn4 )/l(, 3,2 и 0,3%.

Разброс в квазикомпенсированном пучке Zn4 по обогащению слабо распространенного изотопа Zn-70 (природное содержание 0,61%), составил, если сравнивать концентрации .обогащени  этого изотопа применительно к указанной степени модул ции )/l(Zn равной 5; 3,22; 0,3%, соответственно 42,9; 54,1 и 61%. При неизменном по величине среднем во времени потенциа- ле пучка (т.е. при неизменной компен- сации ) и при прочих равных услови х в камере оператора получены только За счет колебаний тока пучка ощутимо различные обогащени  (до 18%). Относи5

0 5

0 -

Claims (1)

1. тельное изотопное загр знение дальними изотопами 68, 67, 66 и 64 с ростом глубины модул ции 4I(Zn)/ /l(Zn4) существенно возрастает, т.е. например, изотопа Zn-64 в относительных единицах в Zn-70 попадает гораздо больше в том случае, если отношение 4I(Zn)/I(Zn4) больше. Формула изобретени 

   Способ диагностики компенсации зар да в ионных пучках магнитного - сепаратора, включающий операции по измерению амплитуды и частоты колебаний тока и плотности тока пучка на изотопном приемнике и в различных поперечных сечени х пучка по его длине, измерени  максимального потенциала пучка, сопоставление уровн  колебаний с величиной потенциала пучка , отличающийс  тем,что, с целью расширени  функциональных возможностей за счет определени  природы возникновени  колебаний в ионных пучках с помощью электрического пр моугольного импульса положительной пол рности; амплитудой свыше 25 В,длительностью не более одной микросекунды, при частоте следовани  импульсов менее 4 кГц осуществл ют вывод электронов компенсации из района пучка, прилежащего к оптике источника , измер ют и сравнивают амплитуду и частоту колебаний тока ионного пучка, потенциал пучка и плотность тока пучка в кармане приемника в фазах его компенсации и декомпенсации при подаче электрического пр моугольного импульса, по которым суд т о природе возникновени  колебаний.

   дек крцмп. /№

   а и f

   Фиг, г