ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Электромагнитный метод. Основные принципы из "Изотопы Свойства, получение, применение Том 1" В начале 40-х годов стала весьма актуальной проблема разделения изотопов урана. К этому времени принципы электромагнитного метода разделения изотопов были разработаны глубже, чем других, поэтому в США и СССР началась бурная подготовка к строительству (и, почти одновременно, и само строительство) именно электромагнитных сепараторов для разделения изотопов урана. Это дало сильный толчок для развития целого ряда разделов физики и техники. Токи ионных пучков в установках предстояло увеличить на 7-10 порядков величины по сравнению с масс-спектрометрами. Получить необходимые величины ионных токов можно было только из плазмы. Поэтому были предприняты обширные исследования по многим вопросам физики газового разряда и низкотемпературной плазмы. В итоге были созданы пригодные для промышленных масштабов разделения источники ионов на основе мощного дугового разряда в магнитном поле с накалённым катодом [4]. Для понимания процессов в сепарационных установках потребовалось значительное расширение знаний в области атомных столкновений, были нужны точные значения эффективных сечений ионизации, перезарядки, других процессов. Необходимы были исследования взаимодействия потоков ускоренных частиц с поверхностью катодного распыления, вторичной ионной и электронной эмиссии. [c.290] Бурно развивалась вакуумная техника, появились мощные средства откачки больших (порядка нескольких кубических метров) вакуумных объёмов. [c.290] Чтобы осуществить в электромагнитном сепараторе реальное разделение ионов по массам, необходимо выполнить следующие условия. [c.291] Допустимые пределы AU/U легко оценить если, например, М = = 200 а.е.м., АМ = 1 и считается приемлемым отклонение ионов одной массы на 10% дисперсии, т.е. AU/U = 0,1 АМ/М, то тогда AU/U = 0,05%. Требования к моноэнергетичности весьма жёсткие. Подобные рассуждения можно провести также относительно стабильности магнитного поля. [c.292] Профилируя электроды 3, 4, и 5 ионно-оптической системы, добиваются нужной для формирования ионного пучка геометрии электрического поля. [c.293] С учётом всех этих и других факторов, чаще всего ускоряющее напряжение выбирают в интервале 25 45 кВ. [c.293] Что касается возможной величины ионного тока из источника, то она определяется площадью S щели в газоразрядной камере (ГРК), предназначенной для формирования пучка, и плотностью тока j на щель, которую можно достигнуть в данном источнике при данной массе ионов. [c.293] Здесь а — величина ускоряющего зазора в см, j выражается в А/см . Поскольку практически невозможно поддерживать в источнике ионов электрическое поле больше 10 В/см и довольно трудно сделать а 0,3 + 0,4 см, то нельзя надеяться на j 2,7 М А/см . При этом (7.1.5) описывает идеальный случай плоских электродов, а практически j ещё меньше. Что касается площади щели, то она ограничена прежде всего длиной разрядной камеры. В мировой практике не известны источники ионов с длиной дугового разряда существенно превышающей 20 см. Увеличение ширины щели больше, чем до 0,3 см, наталкивается на проблемы с фокусировкой пучка. Таким образом, значение 5 составляет максимум 3 + 5 см . [c.294] Приёмник ионов. Разделённые по массам (точнее по М/е) и сфокусированные ионные пучки необходимо принять каждый в отдельный, по возможности замкнутый, объём ( приёмный карман — 6, 7 на рис. 7.1.1), вход в который размещён в фокусе соответствующего ионного пучка. От приёмных карманов должно отводится выделяющееся тепло, необходима возможность контроля качества фокусировки ионных пучков, точности наводки масс-спек-тра на соответствующие карманы и его удержания в оптимальном положении в течение всего процесса накопления. Карманы должны быть сделаны с учётом интенсивного катодного распыления поверхностей, принимающих ионы, и защищены от загрязнения другими изотопами или не разделённым веществом. Все эти функции выполняет ионный приёмник — второй важный узел сепаратора. Приёмник обычно представляет собой жёсткий блок изолированных друг от друга (или не изолированных) карманов (коробок), смонтированный на платформе, способной перемещаться в направлении продольной оси прибора (указано стрелкой на рис. 7.1.1) для совмещения входов в карманы с фокусами ионных пучков. Реперные электроды 8 позволяют контролировать положение спектра, качество фокусировки, правильность наводки. [c.294] Сепарационная камера и магнит. Источники и приёмники ионов обычно называют сменным оборудованием сепаратора. Их устройство меняют применительно к свойствам разделяемого элемента, числу изотопов и т. д. Источник и приёмник ионов устанавливают в сепарационную камеру, полностью или частично находящуюся между полюсами магнита. Камера откачивается вакуумными агрегатами до оптимального давления. Как будет пояснено ниже, оно лежит в пределах (2+ 10) 10 мм рт. ст. Магнит должен обеспечить в довольно большом объёме поле Я с заданным пространственным распределением и стабильностью во времени не хуже (2 + 5) 10 %. Величина Я довольно значительна если С/ = 30 кВ, М = 150 а.е.м. и Д = 70 см, то Я 0,4т. Схема траекторий ионных пучков в установке с квазиоднородным (см. п. 7.1.6) магнитным полем показана на рис. 7.1.1. [c.294] После накопления в приёмнике нужного количества изотопов разделяемого элемента следует химический этап работы снятие с приёмных карманов накопленных изотопно-обогащённых продуктов — как правило путём химического травления — и их глубокая очистка от примесей конструкционных материалов и других элементов. [c.294] В числе полиизотопных элементов, если исключить газы, едва наберётся полтора десятка имеющих указанное давление насыщенных паров при температуре ниже 900 1000 °С, а нагрев газоразрядного узла источника до более высоких температур вызывает ряд технических трудностей. В табл. 7.1.1 приведены необходимые температуры (в °С) газоразрядного узла источника ионов для работы на некоторых элементах, изотопы которых получали электромагнитным методом, используя исходные вещества в виде металлов. [c.295] Вместе с тем, есть и одна позитивная сторона в применении хлористых (или фтористых) соединений в качестве исходных веществ присутствие хлора (фтора) оказывает положительное воздействие на процесс прохождения ионного пучка по сепарационной камере, так как легко образующиеся отрицательные ионы хлора или фтора улучшают компенсацию пространственного заряда ионов. [c.295] Наиболее интересны для практического применения обычно один или два изотопа каждого элемента. Скорость накопления изотопа с массой М, очевидно, определяется выражением Р = 0,0373(/прМгС ог/С г/1а г//уг)24А , где Сог — исходная концентрация (обычно природная) изотопа с массой М, а Сг — достигнутая его концентрация в результате обогащения. [c.296] При изучении воздействия факторов изотопного загрязнения часто пользуются величинами — относительными загрязнениями изотопа i изотопом обычно выражаемыми в % = С Со1/С1Со] 100, где С оьС о исходные концентрации этих изотопов, а С , примесь изотопа в изотопе г. Обычно под индексом j имеют в виду числа, равные АМ = М — М . Исследование зависимости Sij j) во многих случаях позволяет разделить действие различных факторов изотопного загрязнения и найти главный из них для данного процесса разделения. Кроме того, набор величин ij позволяет прогнозировать качество обогащения изотопов ранее не делившегося на данной установке элемента с похожими физическими свойствами, но с другой атомной массой. [c.297] Изотоп Со, % Ср. обог.,% J, мА/см К, макс. [c.297] Действие большинства факторов изотопного загрязнения в электромагнитном сепараторе может быть снижено или почти подавлено конструктивными или технологическими мерами, в результате чего изотопные загрязнения могут быть доведены до тысячных долей процента [11]. Во многих случаях для достижения весьма высоких обогащений можно обойтись и без экстраординарных мер в частности, почти не снижать производительность. Особенно хорошие возможности здесь дают высокодисперсионные сепараторы (см. п. 7.1.8). В табл. 7.1.2 и 7.1.3 приведены результаты разделений, опубликованные в работах [И, 12] соответственно. [c.297] Все они сильно зависят от конструкции установки и, безусловно, от разделяемого элемента Жм и у сильно изменяются с массовым числом ионов М I — ток в обмотке магнита) Жу 1/М. Остальные зависят от М слабо. Для определения энергозатрат на производство 1 мг изотопного препарата в некотором диапазоне масс оценим потребляемую установкой мощность в кВт и её производительность Руд в мг/час в том же диапазоне масс для элементов с близкими свойствами. [c.298] Эффективность использования исходного веш,ества. Стоимость исходного вещества чаще всего составляет небольшую часть затрат на производство изотопно-обогащённого препарата, тем не менее, повышение эффективности использования вещества снимает целый ряд проблем и улучшает работу установки снижается необходимый запас вещества в источнике ионов, легче оптимизируется давление в сепарационной камере, меньше вероятность перезарядки ионов пучка, уменьшается загрязнение карманов приёмника нейтральными и рассеянными частицами и т. д. Особое место занимают случаи, когда исходное вещество представляет значительную ценность при повторном обогащении, при разделении радионуклидов и т. д. Для этих случаев разработаны специальные источники ионов и даже особые установки (см. п. 7.1.7). Таким образом, эффективность использования исходного вещества является существенной характеристикой сепарационной установки, а также применяемой технологии разделения изотопов. [c.298] Вернуться к основной статье