устройство для разделения изотопов в плазме с помощью ионного циклотронного резонанса (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для разделения изотопов в плазме с помощью ионного циклотронного резонанса, состоящее из помещенной в магнитное поле соленоида вакуумной камеры, внутри которой расположены источник плазмы, состоящий из узла транспортировки СВЧ-излучения и узла для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, ВЧ-антенна и коллекторная система, выполненная из коллектора обогащенного вещества, экранов и отвальной пластины, отличающееся тем, что узел для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, включает контейнеры из тугоплавкого материала с малым выходным отверстием, расположенным в их горловине, и металлическую пластину, в отверстиях которой установлены указанные контейнеры с разделяемым веществом, окруженные нагревателями и тепловыми экранами, а коллектор обогащенного вещества выполнен из несплошных пластин шириной L₁, расположенных на расстоянии L₂ друг от друга рядами, расстояние между которыми L₃, причем L₁, L₂ и L₃ равны среднему ларморовскому диаметру резонансных ионов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контейнеры окружены омическими нагревателями, а нагреватели - сплошными внешними тепловыми экранами.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контейнеры окружены внутренними тепловыми экранами, разрезанными по образующей, причем разрезы смещены по азимуту, а затем - индукционными нагревателями.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что толщина скин-слоя при индукционном нагреве для материала контейнера примерно равна толщине стенки контейнера.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контейнеры расположены равномерно по всему сечению металлической пластины.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый контейнер закреплен на штоке, соединенном с его задним торцом, с возможностью перемещения.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контейнеры установлены друг за другом в направляющих с возможностью перемещения контейнеров вдоль горизонтальной оси устройства.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пластины коллектора обогащенного вещества смещены относительно друг друга вдоль оси вакуумной камеры на расстояние L₄ , примерно равное шагу спирали траектории иона.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коллектор обогащенного вещества выполнен из несплошных коллекторных пластин, расположенных по концентрическим окружностям, и центрального цилиндрического стержня, при этом диаметр стержня равен ларморовскому диаметру резонансных ионов.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что коллектор обогащенного вещества установлен с возможностью вращения вокруг своей оси, а поверхности экранов контактируют с резцом.

11. Устройство по любому из пп.1, 8, 9 и 10, отличающееся тем, что за экранами пластин установлена прокладка из диэлектрика с высокой теплопроводностью.

12. Устройство для разделения изотопов в плазме с помощью ионного циклотронного резонанса, состоящее из помещенной в магнитное поле соленоида вакуумной камеры, внутри которой расположены источник плазмы, состоящий из узла транспортировки СВЧ-излучения и узла для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, ВЧ-антенна и коллекторная система, выполненная из коллектора обогащенного вещества, экранов и отвальной пластины, отличающееся тем, что узел для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, включает контейнеры из тугоплавкого материала с малым выходным отверстием, расположенным в их горловине, и металлическую пластину, в отверстиях которой установлены указанные контейнеры с разделяемым веществом, окруженные нагревателями и тепловыми экранами, а коллектор обогащенного вещества выполнен из сплошных пластин, расстояние между которыми L₃ равно среднему ларморовскому диаметру резонансных ионов, смещенных относительно друг друга вдоль оси вакуумной камеры на расстояние L₄, примерно равное шагу спирали траектории иона.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что контейнеры окружены омическими нагревателями, а нагреватели - сплошными внешними тепловыми экранами.

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что контейнеры окружены внутренними тепловыми экранами, разрезанными по образующей, причем разрезы смещены по азимуту, а затем - индукционными нагревателями.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что толщина скин-слоя для материала контейнера примерно равна толщине стенки контейнера.

16. Устройство по п.12, отличающееся тем, что контейнеры расположены равномерно по всему сечению металлической пластины.

17. Устройство по п.12, отличающееся тем, что каждый контейнер закреплен на штоке, соединенном с его задним торцом, с возможностью перемещения.

18. Устройство по п.12, отличающееся тем, что контейнеры установлены друг за другом в направляющих с возможностью перемещения контейнеров вдоль горизонтальной оси устройства.

19. Устройство по п.12, отличающееся тем, что пластины коллектора обогащенного вещества выполнены в виде металлической ленты, установленной с возможностью перемотки.

20. Устройство по любому из пп.12 и 19, отличающееся тем, что экраны коллекторной системы выполнены из металлической ленты, установленной с возможностью перемотки.

21. Устройство по п.12, отличающееся тем, что коллектор обогащенного вещества выполнен из сплошных пластин, расположенных по концентрическим окружностям, и центрального цилиндрического стержня, при этом диаметр стержня равен ларморовскому диаметру резонансных ионов.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что коллектор обогащенного вещества установлен в зоне расходящихся силовых линий магнитного поля.

23. Устройство по п.21, отличающееся тем, что экраны перекрывают торцевые и внутренние поверхности пластин коллектора обогащенного вещества.

24. Устройство по п.21, отличающееся тем, что коллектор обогащенного вещества установлен с возможностью вращения вокруг своей оси, а поверхности экранов контактируют с резцом.

25. Устройство по любому из пп.12 и 21, отличающееся тем, что за экранами установлена прокладка из диэлектрика с высокой теплопроводностью.

26. Устройство для разделения изотопов в плазме с помощью ионного циклотронного резонанса, состоящее из помещенной в магнитное поле соленоида вакуумной камеры, внутри которой расположены источник плазмы, состоящий из узла транспортировки СВЧ-излучения и узла для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, ВЧ-антенна и коллекторная система, выполненная из коллектора обогащенного вещества, экранов и отвальной пластины, отличающееся тем, что узел для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, включает контейнеры из тугоплавкого материала с малым выходным отверстием, расположенным в их горловине, и металлическую пластину, в отверстиях которой установлены указанные контейнеры с разделяемым веществом, окруженные нагревателями и тепловыми экранами, а коллектор обогащенного вещества выполнен в виде полого ступенчатого цилиндра, при этом перед каждой ступенью расположен кольцеобразный экран, высота ступеней S выбрана равной или меньшей ларморовского радиуса нагретого иона, причем ступени смещены относительно друг друга вдоль оси вакуумной камеры на расстояние L₄, примерно равное шагу спирали траектории иона.

27. Устройство по п.26, отличающееся тем, что контейнеры окружены омическими нагревателями, а нагреватели - сплошными внешними тепловыми экранами.

28. Устройство по п.26, отличающееся тем, что контейнеры окружены внутренними тепловыми экранами, разрезанными по образующей, причем разрезы смещены по азимуту, а затем - индукционными нагревателями.

29. Устройство по п.28, отличающееся тем, что толщина скин-слоя для материала контейнера примерно равна толщине стенки контейнера.

30. Устройство по п.26, отличающееся тем, что контейнеры расположены равномерно по всему сечению металлической пластины.

31. Устройство по п.26, отличающееся тем, что каждый контейнер закреплен на штоке, соединенном с его задним торцом, с возможностью перемещения.

32. Устройство по п.26, отличающееся тем, что контейнеры установлены друг за другом в направляющих с возможностью перемещения контейнеров вдоль горизонтальной оси устройства.

33. Устройство по п.26, отличающееся тем, что коллектор обогащенного вещества установлен в зоне расходящихся силовых линий магнитного поля.

34. Устройство по п.26, отличающееся тем, что коллектор обогащенного вещества установлен с возможностью вращения вокруг своей оси, а поверхности экранов контактируют с резцом.

35. Устройство по любому из пп.26 и 34, отличающееся тем, что за экранами установлены прокладки из диэлектрика с высокой теплопроводностью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение предназначено для получения в промышленных масштабах изотопов элементов, которые не имеют газообразных соединений при нормальных условиях, и относится к устройствам для разделения изотопов плазменным методом, в частности методом ионного циклотронного резонанса. Широкое применение стабильных изотопов в радиомедицине, атомной промышленности, а также решение проблем фундаментальной физики требует поддержания ассортимента получаемых изотопов и увеличения их производства.

Для разделения стабильных изотопов средних и больших масс в промышленных масштабах используются в основном электромагнитные сепараторы и газовые центрифуги.

Электромагнитный метод позволяет разделять изотопы большинства элементов, находящихся в конденсированном состоянии при комнатной температуре. Ионный ток в таких разделительных устройствах мал, что приводит к низкой производительности и высокой цене изотопически обогащенного продукта.

Метод газовых центрифуг позволяет получать сравнительно дешевые стабильные изотопы в значительных количествах, но только тех элементов, которые имеют газообразные соединения при комнатной температуре.

Для получения в больших количествах изотопов элементов, которые не имеют газообразных соединений при нормальных условиях, может использоваться метод ионного циклотронного резонанса в плазме (ИЦР-метод). Впервые использовать ионный циклотронный резонанс для разделения изотопов было предложено Аскарьяном и др. в работе (Аскарьян Г.А., Намиот В.А., Рухадзе А.А. Письма в ЖТФ, 1975, 1, С.820). Высказанная идея относилась к зеркальной магнитной ловушке, где производить разделение изотопов можно было только в импульсном режиме. Стационарный ИЦР-процесс был реализован экспериментально Доусоном и др. ( Dawson J.M., Kirn Н.С., Amush D. et al. Phys. Rev. Lett., 1976, 37, P.1547). Однако в своих патентах (Dawson J.M., Patent USA 4059761, 1977; Dawson J.M. Patent USA 4.0.S 1.677. 1978) Доусон по существу описал реализацию разделения изотопов импульсным методом. Также известно устройство для разделения изотопов в плазме с помощью ионного циклотронного резонанса (Romesser T.E., Lazar N.H., McVey B.D., Musseto M.S., Arnush D., Heflinger L.O. WO 84/02803 19.07.1984).

Устройство представляет собой вакуумную камеру, окруженную сверхпроводящим соленоидом, создающим в вакуумной камере однородное магнитное поле. В вакуумной камере размещены источник плазмы, состоящий из узла для получения нейтральных атомов элемента, изотопы которого разделяют, пластины, изготовленной из металла, изотопы которого разделяют, и СВЧ-генератора, и узла транспортировки излучения, состоящего из волноводного тракта и зеркала, направляющего СВЧ-излучение в сторону пластины. Частота СВЧ-излучения такова, что вблизи пластины в поле, создаваемом соленоидом, имеется зона электронного циклотронного резонанса (ЭЦР-зона). Нейтральные атомы образуются за счет катодного распыления пластины, находящейся под высоким отрицательным потенциалом, а ионизация нейтральных атомов и образование плазмы производятся микроволновым излучением, создаваемым СВЧ-генератором.

Селективный нагрев ионов осуществляется ВЧ-антенной, создающей в объеме плазмы переменное электромагнитное поле с частотой, находящейся в резонансе с циклотронной частотой ионов целевого (резонансного) изотопа. В результате эти ионы приобретают существенно большую поперечную скорость и, следовательно, больший ларморовский радиус по сравнению с нерезонансными ионами. Колебания тока в антенне возбуждаются ВЧ-генератором, расположенным вне вакуумной камеры. Далее, вдоль оси вакуумной камеры установлена коллекторная система. Отбор целевых ионов осуществляется на коллекторе обогащенного вещества. Он представляет собой решетку из сплошных коллекторных пластин, расположенных параллельно магнитному полю. Расстояние между соседними пластинами выбирается преимущественно равным среднему диаметру ларморовской окружности резонансных ионов. От прямого потока плазмы пластины с торцов закрыты экранами. Экраны и коллекторные пластины имеют, как правило, воздушное или водяное охлаждение. Принцип действия такого коллектора заключается в том, что резонансные ионы не могут пройти сквозь решетку коллекторных пластин и осаждаются на них, в то время как большинство ионов других изотопов, имеющих существенно меньший ларморовский радиус, проходят сквозь нее и осаждаются на поперечной к потоку плазмы охлаждаемой отвальной пластине коллекторной системы. Для увеличения степени обогащения продукта целевым изотопом к коллекторным пластинам может прикладываться положительный задерживающий потенциал, отталкивающий ненагретые ионы.

Для работы разделительной ИЦР-установки необходимо иметь плазменный источник, функционирующий в сильном магнитном поле с индукцией в несколько Тесл, с высокой степенью ионизации нейтральных атомов и с достаточно однородным профилем плотности плазмы по сечению.

Для получения высокой изотопической селективности разделения необходимо, чтобы поперечная энергия, приобретенная ионами целевого (резонансного) изотопа, была существенно выше энергии ионов соседних изотопов. Это может быть обеспечено, если относительная ширина частотного диапазона эффективного поглощения энергии меньше, чем относительная разность масс На ширину этого диапазона влияют различные факторы: неоднородность магнитного поля, столкновения ионов между собой и с нейтральной компонентой (столкновительное уширение), эффект Доплера при движении иона в пространственно неоднородном ВЧ электрическом поле (доплеровское уширение), конечное время пребывания иона в зоне нагрева (времяпролетное уширение). Величина в обычных режимах при плотностях плазмы порядка 10 ¹² см^-3 определяется в основном доплеровским и времяпролетным уширением. Эффективным способом достижения высокой степени селективности является увеличение напряженности постоянного магнитного поля. Однако в сильных магнитных полях даже для ионов, нагретых до значений энергии 300-500 эВ, при которых начинается процесс распыления осадка на пластинах, ларморовский радиус оказывается настолько малым, что приближается к характерным размерам элементов коллекторной системы. В результате растет поток потерь целевых ионов при попадании на передние экраны по сравнению с потоком этих ионов на коллекторные пластины.

Другая трудность, возникающая при отборе продукта в условиях сильных магнитных полей, связана с уменьшением продольного размера зоны осаждения вещества из-за большой частоты вращения и, следовательно, малого шага спиральной траектории ионов. Если передние экраны должны охлаждаться, то они не могут быть очень тонкими. Это приводит к тому, что на боковой поверхности экранов осаждается значительная часть целевого изотопа.

В качестве прототипа выбрано устройство для разделения изотопов в плазме с помощью ионного циклотронного резонанса (Патент РФ №2217223, В 01 D 59/48, оп. 27.11.2003). Оно представляет собой помещенную в магнитное поле соленоида вакуумную камеру, внутри которой расположены источник плазмы, состоящий из узла транспортировки СВЧ-излучения, ВЧ-антенны и коллекторной системы, выполненной из коллектора обогащенного вещества, экранов и отвальной пластины, и узла для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, состоящего из тигля с разделяемым веществом и средств для его нагрева - электронной пушки. Коллектор обогащенного вещества выполнен из сплошных пластин, размещенных радиально относительно друг друга. Это устройство не позволяет, однако, повысить коэффициент разделения и уменьшить потери целевого изотопа при установке коллекторной системы в зоне основного магнитного поля установки.

Техническими результатами, на которые направлено данное изобретение, являются:

уменьшение потерь целевого изотопа,

повышение коэффициента разделения изотопов,

создание установки непрерывного действия,

снижение энергозатрат.

Для достижения вышеуказанного технического результата предложено несколько вариантов выполнения устройства одного назначения, а именно устройство для разделения изотопов в плазме с помощью ионного циклотронного резонанса.

В первом варианте предложено устройство для разделения изотопов в плазме с помощью ионного циклотронного резонанса, состоящее из помещенной в магнитное поле соленоида вакуумной камеры, внутри которой расположены источник плазмы, состоящий из узла транспортировки СВЧ излучения и узла для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, ВЧ-антенна и коллекторная система, выполненная из коллектора обогащенного вещества, экранов и отвальной пластины, при этом узел для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, включает контейнеры из тугоплавкого материала с малым выходным отверстием, расположенным в их горловине, и металлическую пластину, в отверстиях которой установлены указанные контейнеры с разделяемым веществом, окруженные нагревателями и тепловыми экранами, а коллектор обогащенного вещества выполнен из несплошных пластин шириной L₁, расположенных на расстоянии L₂ друг от друга рядами, расстояние между которыми L₃, причем L₁, L₂ и L₃ равны среднему ларморовскому диаметру резонансных ионов.

Кроме того, пластины коллектора обогащенного вещества могут быть смещены относительно друг друга вдоль оси вакуумной камеры на расстояние L₄, примерно равное шагу спирали траектории иона.

Также коллектор обогащенного вещества может быть выполнен из несплошных коллекторных пластин, расположенных по концентрическим окружностям, и центрального цилиндрического стержня, при этом диаметр стержня равен ларморовскому диаметру резонансных ионов.

В этом случае коллектор обогащенного вещества может быть установлен с возможностью вращения вокруг своей оси, а поверхности экранов контактируют с резцом.

Также за экранами пластин может быть установлена прокладка из диэлектрика с высокой теплопроводностью.

Другим вариантом выполнения устройства может быть устройство для разделения изотопов в плазме с помощью ионного циклотронного резонанса, состоящее из помещенной в магнитное поле соленоида вакуумной камеры, внутри которой расположены источник плазмы, состоящий из узла транспортировки СВЧ-излучения и узла для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, ВЧ-антенна и коллекторная система, выполненная из коллектора обогащенного вещества, экранов и отвальной пластины, при этом узел для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, включает контейнеры из тугоплавкого материала с малым выходным отверстием, расположенным в их горловине, и металлическую пластину, в отверстиях которой установлены указанные контейнеры с разделяемым веществом, окруженные нагревателями и тепловыми экранами, а коллектор обогащенного вещества выполнен из сплошных пластин, расстояние между которыми L₃ равно среднему ларморовскому диаметру резонансных ионов и смещенных относительно друг друга вдоль оси вакуумной камеры на расстояние L₄, примерно равное шагу спирали траектории иона.

При этом пластины коллектора обогащенного вещества могут быть выполнены в виде металлической ленты, установленной с возможностью перемотки.

Кроме того, экраны коллекторной системы могут быть выполнены из металлической ленты, установленной с возможностью перемотки.

Коллектор обогащенного вещества может быть выполнен из сплошных пластин, расположенных по концентрическим окружностям, и центрального цилиндрического стержня, при этом диаметр стержня равен ларморовскому диаметру резонансных ионов.

В вышеуказанном случае коллектор обогащенного вещества может быть установлен в зоне расходящихся силовых линий магнитного поля, экраны могут перекрывать торцевые и внутренние поверхности пластин коллектора обогащенного вещества, а коллектор обогащенного вещества может быть установлен с возможностью вращения вокруг своей оси, а поверхности экранов контактируют с резцом.

Кроме того, за экранами может быть установлена прокладка из диэлектрика с высокой теплопроводностью.

В следующем варианте выполнения предложено устройство для разделения изотопов в плазме с помощью ионного циклотронного резонанса, состоящее из помещенной в магнитное поле соленоида вакуумной камеры, внутри которой расположены источник плазмы, состоящий из узла транспортировки СВЧ-излучения и узла для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, ВЧ-антенна и коллекторная система, выполненная из коллектора обогащенного вещества, экранов и отвальной пластины, при этом узел для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, включает контейнеры из тугоплавкого материала с малым выходным отверстием, расположенным в их горловине, и металлическую пластину, в отверстиях которой установлены указанные контейнеры с разделяемым веществом, окруженные нагревателями и тепловыми экранами, а коллектор обогащенного вещества выполнен в виде полого ступенчатого цилиндра, при этом перед каждой ступенью расположен кольцеобразный экран, высота ступеней S выбрана равной или меньшей ларморовского радиуса нагретого иона, причем ступени смещены относительно друг друга вдоль оси вакуумной камеры на расстояние L₄, равное примерно шагу спирали траектории иона.

При этом коллектор обогащенного вещества может быть установлен в зоне расходящихся силовых линий магнитного поля.

Кроме того коллектор обогащенного вещества установлен с возможностью вращения вокруг своей оси, а поверхности экранов контактируют с резцом.

Также за экранами могут быть установлены прокладки из диэлектрика с высокой теплопроводностью.

Для всех вариантов выполнения устройства

- контейнеры могут быть окружены омическими нагревателями, а нагреватели - сплошными внешними тепловыми экранами;

- контейнеры могут быть окружены внутренними тепловыми экранами, разрезанными по образующей, причем разрезы смещены по азимуту, а затем индукционными нагревателями, в этом случае толщина скин-слоя для материала контейнера примерно равна толщине стенки контейнера;

- контейнеры могут быть расположены равномерно по всему сечению металлической пластины;

- каждый контейнер может быть закреплен на штоке, соединенном с его задним торцом, с возможностью перемещения;

- контейнеры могут быть установлены друг за другом в направляющих с возможностью перемещения контейнеров вдоль горизонтальной оси устройства.

На фиг.1 дана общая схема устройства.

На фиг.2 показан узел для получения нейтральных атомов вещества, изотопы которого разделяют, включающий контейнеры из тугоплавкого материала, металлическую пластину, в отверстиях которой установлены указанные контейнеры с разделяемым веществом, окруженные нагревателями и тепловыми экранами.

На фиг.3 показано возможное расположение отверстий для подачи паров рабочего вещества в область ЭЦР-разряда в металлической пластине, разделяющей зону установки контейнеров и их нагрева от зоны СВЧ-разряда.

На фиг.4 показан контейнер с индукционным нагревом.

На фиг.5 показан узел замены замены контейнеров с индукционным нагревом.

На фиг.6 показан другой вариант замены контейнеров.

На фиг.7 показано расположение несплошных пластин коллектора обогащенного вещества (вид со стороны отвальной пластины).

На фиг.8 показано расположение несплошных пластин коллектора обогащенного вещества в «шахматном» порядке.

На фиг.9 коллектор обогащенного вещества выполнен из несплошных пластин, расположенных по концентрическим окружностям с центральным цилиндрическим стержнем.

На фиг.10 сплошные пластины коллектора обогащенного вещества вместе с экранами смещены относительно друг друга вдоль магнитного поля.

На фиг.11 показано расположение сплошных пластин коллектора обогащенного вещества с выступающими крайними коллекторами.

На фиг.12 показан коллектор обогащенного вещества, выполненный из сплошных пластин, расположенных по концентрическим окружностям с центральным цилиндрическим стержнем.

На фиг.13 показан коллектор обогащенного вещества, выполненный из сплошных пластин, расположенных по концентрическим окружностям с центральным цилиндрическим стержнем, расположенных со сдвигом на величину L₄, причем имеет место чередование их длины.

На фиг.14 показана коллекторная система, в которой коллектор обогащенного вещества выполнен в виде полого ступенчатого цилиндра.

На фиг.15 показан вариант выполнения коллекторной системы, в котором между экранами и пластинами установлены диэлектрические прокладки.

На фиг.16 показана коллекторная система, в которой пластины закрыты с торца и изнутри экранами.

На фиг.17 показана коллекторная система, установленная с возможностью вращения.

Позиции на фигурах:

1 - вакуумная камера,

2 - соленоид, создающий магнитное поле,

3 - металлическая пластина, разделяющая зону установки контейнеров» и их нагрева от зоны СВЧ-разряда,

4 - СВЧ-генератор,

5 - волновод для транспортировки СВЧ-излучения в зону СВЧ-разряда,

6 - зеркало для транспортировки СВЧ-излучения в зону СВЧ-разряда,

7 - ЭЦР-поверхность,

8 - ВЧ-антенна,

9 - ВЧ-генератор,

10 - пластины коллектора обогащенного вещества,

11 - экраны,

12 - отвальная пластина,

13 - контейнер из тугоплавкого материала с разделяемым веществом,

14 - нагреватель,

15 - тепловой экран,

16 - горловина контейнера,

17 - индукционная катушка,

18 - шток,

19 - транспортировочное устройство,

20 - направляющие,

21 - зона расходящихся силовых линий магнитного поля,

22 - диэлектрические прокладки,

23 - резец.

Устройство работает следующим образом.

В вакуумной камере 1 (фиг.1) создается сверхпроводящим соленоидом 2 однородное магнитное поле. СВЧ-генератор 4 создает СВЧ-излучение, которое узлом транспортировки излучения - волноводом 5 и зеркалом 6, направляется в сторону контейнеров с разделяемым веществом 13. Селективный нагрев ионов осуществляется ВЧ-антенной 8, создающей в объеме плазмы переменное электромагнитное поле с частотой, находящейся в резонансе с циклотронной частотой ионов целевого (резонансного) изотопа. В результате эти ионы приобретают существенно большую поперечную скорость и, следовательно, больший ларморовский радиус по сравнению с нерезонансными ионами. Колебания тока в антенне возбуждаются ВЧ-генератором 9, расположенным вне вакуумной камеры 1.

Пары разделяемого вещества выходят через отверстие в горловине 16 контейнера из тугоплавкого материала 13 в зону разряда около ЭЦР-поверхности 7 (фиг.2). При этом металлическая пластина 3 имеет в среднем меньшую температуру, чем контейнер 13. Для обеспечения требуемой плотности пара в зоне ионизации необходимо соответственно повысить его плотность на выходе из отверстия контейнера, повысив температуру контейнера. Поскольку потери тепла определяются в основном излучением и пропорциональны четвертой степени температуры, а плотность паров зависит от нее экспоненциально, то повышение температуры контейнеров будет невелико. Для уменьшения потерь электронов из СВЧ разряда на пластину 3 может подаваться невысокий отрицательный потенциал, не приводящий к распылению пластины. В этом случае электроны отражаются от пластины и снова попадают в зону ионизации, обеспечивая более эффективное использование паров рабочего вещества. Для уменьшения потерь тепла нагреватель 14 окружен тепловыми экранами 15.

Чтобы обеспечить необходимую однородность плотности пара в зоне разряда, достаточное количество контейнеров 13 должно равномерно располагаться по всему сечению, например в вершинах равносторонних треугольников. Такой источник может использоваться при разделении изотопов элементов, имеющих давление паров выше 0.1 Top при температурах ниже 2000°С.

Контейнеры 13 могут быть окружены индукционными катушками 17, при этом отсутствуют нагреватели с ограниченным сроком работы (фиг.4), требующие вскрытия вакуумной камеры 1 для своей замены. Контейнер 13 с разделяемым веществом нагревается полем, создаваемым охлаждаемой индукционной катушкой 17, причем тепловые экраны 15 располагаются внутри индукционной катушки 17 и разрезаны вдоль образующей, чтобы не образовывать замкнутых контуров для индукционных токов. Для уменьшения тепловых потерь разрезы располагаются на различных азимутах. Частота ВЧ-поля для индукционного нагрева выбирается таким образом, чтобы толщина скип-слоя в материале оболочки контейнера была сравнима с толщиной этой оболочки.

Для увеличения срока непрерывной работы источника плазмы предлагается по мере испарения рабочего вещества заменять контейнеры. Контейнер 13 с рабочим веществом имеет на заднем торце шток 18 (фиг.5), посредством которого он может быть выдвинут из нагревателя 17 и помещен на транспортировочное устройство 19. После этого транспортировочное устройство 19 с контейнерами продвигается так, чтобы очередной контейнер оказался в положении, в котором он посредством штока 18 может быть вставлен в нагреватель. При таком механизме замены контейнеров тепловые экраны 15, защищающие тыльную сторону контейнеров, целесообразно крепить на штоке.

На фиг.6 показан другой вариант замены контейнеров 13. В этом варианте замены контейнеров предполагается, что пустой контейнер сбрасывается вперед, а на его место по направляющим 20 продвигается очередной контейнер. Для уменьшения потерь целевого изотопа на экранах в настоящей заявке предлагается использование в одном из вариантов несплошных пластин 10 с шириной L₁, преимущественно равной среднему ларморовскому диаметру резонансных ионов. Расстояние между пластинами L₂ и между рядами пластин L₃ выбирается близким к L₁ (фиг.10).

На фиг.8 показано расположение пластин в «шахматном» порядке.

Коллектор обогащенного вещества может быть выполнен из несплошных пластин, расположенных по концентрическим окружностям с центральным цилиндрическим стержнем, при этом диаметр стержня равен ларморовскому диаметру резонансных ионов, a L₁, L₂ и L₃ также равны среднему ларморовскому диаметру как и в случае плоских пластин, показанных на фиг.7 и 8.

Для уменьшения потерь целевого изотопа на экранах сплошные пластины вместе с экранами смещены относительно друг друга вдоль магнитного поля (фиг.10, 11, 12). Расстояние сдвига L₄ выбирается преимущественно равным или немного большим, чем шаг спиральной траектории иона. В этом случае на последующие экраны попадает поток вещества, уже обедненного целевым изотопом. На фиг.10 показан вариант расположения коллекторной системы с выступающей центральной пластиной.

На фиг.11 показан вариант расположения коллекторной системы с выступающей крайней пластиной. Возможен также вариант с чередованием сдвига пластин.

На фиг.12 показано выполнение коллектора обогащенного вещества из сплошных пластин, расположенных по концентрическим окружностям со сдвигом на величину L₄, причем их длина может уменьшаться как от центра к периферии, так и наоборот, или имеет место чередование длины (фиг.13). Коллекторная система, в которой коллектор обогащенного вещества выполнен в виде полого ступенчатого цилиндра, а кольцеобразные экраны 11 расположены перед ступенями, показан на фиг.14. Высота ступени S выбирается преимущественно равной или меньшей ларморовского радиуса нагретого иона, a L₄ - сдвиг ступени равен примерно шагу спирали траектории иона.

Для охлаждения экранов 11 применен тепловой контакт через диэлектрические прокладки 22 (фиг.15) из материала с высокой теплопроводностью (например, из карбида кремния).

Возможно также использование экранов, целиком состоящих из диэлектриков.

Пластины коллектора обогащенного вещества могут быть закрыты не только с торца, но и изнутри экранами 11. Наиболее эффективным в данном случае является вариант коллекторной системы со сдвигом пластин (фиг.16).

Известно, что для уменьшения потерь целевого изотопа на боковых поверхностях экранов коллекторных систем, а также для обеспечения длительной наработки продукта предлагалось располагать коллекторную систему в области ослабленного магнитного поля ИЦР - установки (Заявка на изобретение РФ № 96111414, 1998.09.27). Коллекторные системы, показанные на фиг.7-9, можно располагать в области ослабленного магнитного поля, но при этом для коррекции поля до однородного необходимо за основным соленоидом 2 устанавливать дополнительные катушки (на фигурах не показаны).

Предложено также в зоне нескорректированных расходящихся силовых линий 21 магнитного поля устанавливать коллекторные системы, показанные на фиг.14, 15, 16.

В процессе наработки целевого изотопа вещество осаждается на всех поверхностях коллекторной системы, в частности на экранах, увеличивая их толщину. При этом увеличиваются потери целевого изотопа, особенно на их боковых поверхностях. В то же время для труднолетучих элементов оказывается возможным применять тонкие неохлаждаемые экраны. Для увеличения срока непрерывной работы коллектора обогащенного вещества при работе с такими элементами предлагается в случаях, показанных на фиг.10 и 11 с плоскими сплошными пластинами, выполнить экраны в виде тонкой сплошной металлической ленты и по мере напыления вещества перематывать ее с одного рулона на другой.

Для удаления осадка вещества с охлаждаемых экранов предлагается использовать тонкий резец 23, а коллектор поворачивать вокруг своей оси, как показано на фиг.17.

Для получения элемента, обедненного одним из изотопов, функции элементов коллектора меняются. Производится селективный ИЦР-нагрев ионов этого изотопа, затем они собираются на прежних коллекторах обогащенного вещества, а обедненное вещество (продукт) осаждается на отвальной пластине. В этом случае на пластины коллектора обогащенного вещества нет необходимости подавать задерживающий потенциал и защищать их экранами. Для увеличения срока непрерывной работы такой коллекторной системы (фиг.10 и 11) предлагается использовать набор тонких металлических лент и по мере осаждения вещества перематывать ленты с одной катушки на другую.

Таким образом, предложенное устройство разделения изотопов позволит за счет термического испарения и создания нового устройства контейнерного типа для получения нейтральных атомов элемента, изотопы которого разделяют, и выполнения коллекторной системы в различном конструктивном исполнении достичь требуемого результата:

уменьшить потери целевого изотопа,

повысить коэффициент разделения изотопов,

создать установку непрерывного действия,

снизить энергозатраты,

что сделает возможным использование данной установки для получения в промышленных масштабах изотопов элементов, широко применяемых в радиомедицине, атомной промышленности и пр.