способ разделения изотопов

Формула изобретения

Способ разделения изотопов методом ионно-циклотронного резонансного нагрева, реализующийся в установке, содержащей источник ионов на основе магнитной ловушки с вращающейся плазмой, систему ионно-циклотронного резонансного нагрева, систему сбора изотопов, отличающийся тем, что используют совмещенную систему ионно-циклотронного резонансного нагрева и сбора изотопов, в которой на внешних пластинах ВЧ антенны электродно-емкостного типа осуществляют сбор целевого изотопа, а на торцевых электродах ВЧ антенны электродно-емкостного типа собирают нецелевые изотопы, при этом с помощью ВЧ антенны электродно-емкостного типа формируют пространственно-однородное ВЧ поле и производят нагрев резонансных ионов во всем объеме плазменного потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрофизике, в частности к системам, служащим для разделения изотопов, например для разделения тяжелых изотопов (атомная масса А>>1).

Известен способ разделения изотопов лития в плазме с помощью метода ионно-циклотронного резонансного (ИЦР)-нагрева искомого изотопа, реализуемый на установке, состоящей из плазменного источника ионов, системы ВЧ (ИЦР)-нагрева ионов выделяемого изотопа, системы сбора нагретой ионной (изотопной) компоненты [1].

Однако известный способ обладает рядом недостатков. В устройстве, реализующем известный способ, используется источник плазмы на основе дугового разряда в продольном магнитном поле, не обеспечивающий получение высокой плотности плазмы. Используемая винтовая антенна создает электрическое поле, зависящее от продольной координаты, что снижает эффективность нагрева резонансных ионов [2]. Используемая система сбора изотопов состоит из открытых проводящих пластин, ориентированных параллельно направлению распространения плазмы, что не позволяет получать высокую степень разделения изотопов и снижает эффективность использования рабочего материала.

Наиболее близким способом к заявленному способу по совокупности признаков является способ, реализованный в установке для разделения изотопов, содержащей источник ионов на основе магнитной ловушки с вращающейся плазмой, систему ионно-циклотронного резонансного нагрева с ВЧ-антенной соленоидального (индукционного) типа, систему сбора изотопов, имеющую криволинейный участок магнитного поля (сокращенно КРЭЛ - криволинейный элемент) [3].

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата известным способом, принятым за прототип, относится то, что сепарация в участке неоднородного магнитного поля имеет ряд ограничений.

1. Градиентный дрейф для частиц с разными зарядами (электроны и ионы) направлен в разные стороны, поэтому в процессе этого дрейфа происходит пространственное разделение зарядов, что приводит к появлению вертикального электрического поля в объеме плазмы. Это поле приводит к дополнительному дрейфу плазмы в скрещенных ЕхВ полях на наружную стенку КРЭЛа. Этот дрейф направлен в одну сторону для частиц с зарядами разных знаков, и поэтому при достаточно больших поперечных электрических полях весь плазменный поток, как целое, может уходить (выдрейфовывать) в радиальном направлении на стенку КРЭЛа под действием электрических полей, созданных самим пучком.

Устранение этих полей возможно за счет ионизация остаточного газа плазменным потоком в вакуумной камере, эмиссии электронов при попадании горячих ионов на сборники, а также создания компенсирующих электронных потоков по всему сечению плазменного потока.

Требуемая для компенсации плотность электронных токов (вдоль силовых линий) - порядка 0,03-0,3 А/см² (Т_е=10-100 эВ), что требует создания соответствующих катодов (при общей площади до 400 см², суммарный ток катода до 120 А) и соответствующей электронной (или плазменной) оптики, способной вытягивать эти токи из катода и инжектировать их в плазму. Катод должен работать в условиях, когда часть ионов или атомов того же вещества оседает на его поверхности.

2. Кривизна магнитного поля в КРЭЛе приводит к увеличению магнитного поля на внутреннем и уменьшению на внешнем радиусах, что дает значительный перепад магнитных полей на этих радиусах. Необходимость снижения среднего магнитного поля в КРЭЛе по сравнению с системой нагрева для того, чтобы не создавать магнитной пробки на пути плазменного потока по внутреннему краю, приводит к довольно сильному снижению магнитного поля на внешнем краю потока. Для ионов в этой части потока поперечная энергия ионов "переходит" в продольную энергию, и, следовательно, изменяется условие "выдрейфовки" ионов. Как резонансные, так и нерезонансные ионы после нагрева в индукционной антенне имеют широкий спектр энергий, поэтому скорость ухода на сборник для ионов с внутреннего и внешнего края плазменного потока отличается в несколько раз, следовательно, селективность разделения ухудшается.

3. Для обеспечения магнитного поля в КРЭЛе требуются дополнительные катушки (15-20 штук), это приводит к увеличению мощности системы питания магнитного поля установки (на 50-80%).

Кроме того, ионно-циклотронный нагрев соленоидальной (индукционной) антенной имеет следующие недостатки.

1. Электрическое поле прямо пропорционально расстоянию от оси антенны, поэтому вблизи оси нагрев идет слабо.

2. За счет радиального дрейфа ионов в ВЧ-полях соленоидальной антенны ИЦР-нагрев резонансных ионов идет не монотонно во времени. Резонансный ион периодически меняет свою энергию от максимальной до минимальной, определяемой начальными условиями нагрева этого иона. Нерезонансные ионы при ИЦР-нагреве также периодически меняют свою энергию за счет выхода из резонанса. Различие в величине максимальной энергии, которую могут набрать при таком нагреве резонансные и нерезонансные ионы, достаточна велика, но за счет того что энергия резонансных ионов периодически меняется, эффективность разделения этих ионов от нерезонансных невелика.

Сущность изобретения заключается в увеличении производительности разделения изотопов методом ионно-циклотронного нагрева, повышении степени разделения изотопов, уменьшении габаритных размеров установки, реализующей заявленный способ.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, реализуемом в установке, содержащей источник ионов на основе магнитной ловушки с вращающейся плазмой [4, 5], систему ионно-циклотронного резонансного нагрева, систему сбора изотопов, используется совмещенная система ионно-циклотронного резонансного нагрева и сбора изотопов. ВЧ-антенна электродно-емкостного типа формирует пространственно-однородное ВЧ-поле и производит нагрев резонансных ионов во всем объеме плазменного потока. На внешних пластинах ВЧ-антенны электродно-емкостного типа осуществляется сбор целевого изотопа, а на торцевых электродах ВЧ-антенны электродно-емкостного типа собираются нецелевые изотопы.

Изложенная выше совокупность признаков обеспечивает достижение указанного технического результата, то есть позволяет осуществлять разделение изотопов с лучшими энергетическими параметрами, повышенной производительностью. Данное изобретение позволяет уменьшить габаритные размеры установки, реализующей заявленный способ, капитальные и эксплуатационные затраты и повысить степень разделения изотопов.

Источник создает "узкий" плазменный поток, в поперечное сечение которого вписывается 3-4 ионных ларморовских диаметра. ВЧ-антенна электродно-емкостного типа формирует пространственно-однородное ВЧ-поле и производит нагрев резонансных ионов во всем объеме плазменного потока. Функция набора энергии в рассматриваемой антенне для резонансных ионов является возрастающей в отличие от процесса набора для нерезонансных ионов, для которых функция является периодической. Приобретаемые в результате нагрева энергии резонансных и нерезонансных ионов значительно отличаются. Нагреваясь, резонансные ионы выходят за поперечные размеры плазменного потока и попадают на внешние пластины ВЧ-антенны, являющиеся одновременно сборниками целевого изотопа. Основная часть нерезонансных ионов не набирает энергию, достаточную для попадания на внешние пластины ВЧ-антенны, и собирается на торцевых электродах ВЧ-антенны, которые являются одновременно и сборниками нецелевых изотопов.

Все вышеуказанное обуславливает причинно-следственную связь между признаками и техническим результатом и существенность признаков формулы изобретения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, показывает, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На чертежах представлена схема устройства, реализующего заявленный способ, где на фиг.1 изображена конструкция установки для разделения изотопов, а на фиг.2 - принцип работы совмещенной системы ВЧ-нагрева и сепарации: 1 - плазменный источник, 2 - "узкий" плазменный поток, 3 - выпускной канал, 4 - внешние пластины ВЧ-антенны электродно-емкостного типа (сборник целевого изотопа), 5 - торцевые электроды ВЧ-антенны электродно-емкостного типа (сборник нерезонансных ионов), 6 - катушки магнитной системы установки, 7 - вакуумная камера, 8 - жалюзные пластинки, 9 - поток нагретых резонансных ионов, 10 - поток нерезонансных ионов.

Источник (1) соединен через выпускной канал (3) с системой ионно-циклотронного резонансного нагрева и сбора. Элементы (1), (3), (4), (5), (6) расположены в вакуумной камере (8). Катушки магнитной системы (6) создают требуемый для селективного ионно-циклотронного нагрева профиль магнитного поля.

Используемый в конструкции источник ионов (1) создает "узкий" плазменный поток (2). Образующаяся вблизи катода источника плотная плазма вытекает вдоль силовых линий магнитного поля, ее поперечные размеры ограничены размерами выпускного канала (3). Характерная плотность плазмы в потоке порядка 10¹² см^-3. Может быть получен плазменный поток с ионами любых проводящих материалов.

ВЧ-антенна электродно-емкостного типа состоит из внешних пластин (4) и торцевых электродов (5) и создает в однородном магнитном поле равномерное электрическое поле. В области плазменного потока эффективность нагрева резонансных ионов достаточно высока. Преимуществом этой антенны является отсутствие пространственной неоднородности электрического поля в поперечном направлении. В этом случае отсутствуют дрейфовые движения ионов в градиентных полях, что улучшает селективность ионно-циклотронного нагрева.

Внешние пластины ВЧ-антенны электродно-емкостного типа (4) дополнительно являются сборниками нагретых резонансных ионов (9). Для улучшения сбора целевого изотопа и уменьшения эффекта распыления осаждаемой пленки на внешних пластинах установлены жалюзные пластинки (8). Торцевые электроды (5) вводят ВЧ-поля в плазму за счет электронной проводимости и одновременно являются сборниками нерезонансных ионов (10). ВЧ-напряжение подается на пластины и торцевые электроды антенны таким образом, чтобы создать равномерное поперечное электрическое поле. Метод "прямого" ввода потенциалов в плазму применялся ранее [6, 7].

Увеличение производительности разделения изотопов в рассматриваемом способе обусловлено тем, что здесь электрическое ВЧ-поле вводится непосредственно в объем плазмы контактным способом, в отличие от других способов возбуждения ВЧ-полей внешними антеннами (внешними токами, текущими вне объема плазмы). В этих случаях плазменный поток экранирует ВЧ-поля из-за диамагнитных токов в объеме плазмы. При достаточно малой плотности плазмы этот эффект незначителен, но он растет с увеличением плотности плазмы. Для увеличения производительности данного способа требуется увеличивать плотность плазмы, предлагаемый способ не имеет ограничений, связанных с диамагнитными токами в плазме, и позволяет увеличивать плотность плазмы, а следовательно, и производительность способа. Повышение селективности сбора резонансных изотопов в предлагаемом способе обеспечивается использованием двух независимых сборников изотопов: резонансных изотопов на внешних пластинах и нерезонансных на торцевых электродах антенны.

Проведенное моделирование ионно-циклотронного резонансного нагрева в соленоидальной антенне показало, что вблизи оси нагрев отсутствует и сбор резонансных ионов из приосевой области невозможен, радиальное дрейфовое движение ионов в градиентном поле приводит к пространственному и энергетическому перемешиванию изотопов, ионно-циклотронная частота сдвигается из-за возбуждения антенной собственного магнитного поля [8]. Кроме того, в соленоидальной антенне происходит переполюсовка электрического поля на краях антенны, что приводит к жестким требованиям на пространственное расположение источника, антенны и сборников [9]. Таким образом, сравнительный анализ ионно-циклотронного резонансного нагрева электродно-емкостной и соленоидальной антеннами показывает, что соленоидальная антенна имеет ряд недостатков, приводящих при ее использовании в узком плазменном потоке к уменьшению селективности нагрева и эффективности сбора резонансных ионов по сравнению с электродно-емкостной антенной.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий.

Средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно для получения изотопов различных элементов, в том числе и тяжелых.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Литература

1. Карчевский А.И., Лазько B.C., Муромкин Ю.А., Мячиков А.И., Пашковский В.Г., Устинов А.Л., Чепкасов А.В. Препринт ИАЭ-5239/7. М.: ИАЭ, 1990.

2. Панов Д.А., Тимофеев А.В. Физика плазмы, 1995, т.21, N11, с.1-7.

3. Волосов В.И., Тимофеев А.В., Чуркин И.Н. Установка для разделения изотопов. Патент РФ 2108141, Бюллетень изобретений 36, peг. 10.04.98.

4. Волосов В.И. Источник ионов. Патент РФ 2071137, Бюллетень изобретений 10, peг. 27.12.96.

5. I.N. Churkin, V.I. Volosov, A.G. Steshov. Universal metal ion source. Review of Scientific Instruments, v.69, is.2, p.856-858 (1998).

6. J. M.Dawson, H.C.Kim, D.Arnush, B.D.Fried, R.W.Gould, L.O.Heflinger, C. F.Kennel, T.E.Romesser, R.L.Stenzel, A.Y.Wong, R.F.Wuerker. Isotope Separation in Plasmas by Use of Ion Cyclotron Resonance. Physical Review Letters, 1976, vol.37, N23, p.1547-1550.

7. V. I. Volosov, G.F.Abdrashitov, A.V.Beloborodov et.al. Hot rotating plasma (PSP-2 experiment). Nucl. Fus., v.31(7), 1991, 1275-1281.

8. В. И. Волосов, В.В.Деменев, А.Г.Стешов, И.Н.Чуркин. Особенности ионно-циклотронного резонансного нагрева электродно-емкостной и соленоидальной антеннами. Препринт ИЯФ СО РАН 2001-50.

9. С.Г. Кузьмин. Влияние продольной структуры поля антенны на производительность ИЦР-сепаратора изотопов. Физика Плазмы, Том 25, 12, 1999, 1105-1111.