ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Разделение изотопов в плазме с помощью селективного ионно-циклотронного нагрева из "Изотопы Свойства получение применение Том1" 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 LQA 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 мош,-ного 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] На основании этих и многих других исследований по обе стороны океана были сооружены электромагнитные монстры с десятками ионных лучей , предназначенные для получения многих килограммов высокообогащённого Когда монстры начали работать, стало ясно, что стратегическую задачу они решить могут, но медленно и дорого. В то же время исследования по молекулярным методам разделения изотопов шли весьма интенсивно и вывели их далеко вперёд. Монстры в урановой проблеме остались не у дел. Зато на практике стали очевидны уникальные возможности электромагнитного метода построенные установки допускали принципиальную возможность разделения изотопов любого элемента от лития до урана с большой кратностью обогащения в одном цикле разделения — от десятков крат до тысяч, в зависимости от элемента и положения изотопа в плеяде. Поэтому обе промышленные электромагнитные установки, советская и американская, получили задачу разделения изотопов по возможности всех полиизотопных элементов и успешно её решили. На обеих установках были разделены изотопы более 50 элементов — от магния до свинца [5-7]. Созданные в СССР и США фонды стабильных изотопов несколько десятилетий пополнялись изотопно-обогащёнными препаратами почти всех полиизотопных элементов, полученными на этих установках, обеспечивая широчайшее применение изотопов в науке, технике и медицине [8. [c.291] 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 8 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 — б, 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-спектра 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 -ь 5) 10 %. Величина Я довольно значительна если II = 30 кВ, М = 50 а.е.м. и Я = 70 см, то Н 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] На рис. 7.1.2 показана зависимость производительности по сумме всех изотопов от массовых чисел для ряда элементов, достигнутая на установке промышленного типа. Там же построена расчётная зависимость от массы Р(М), (кривая 2), нормированная к практической при М = 100. Согласно (7.1.5) / М , поэтому Р(М) М . Практическая кривая 1 (рис. 7.1.2) примерно следует этой закономерности. Несколько более медленный рост связан с тем, что при М 100, как правило, приходится уменьшать площадь щели в источнике для достижения оптимальной фокусировки. [c.296] Наиболее интересны для практического применения обычно один или два изотопа каждого элемента. Скорость накопления изотопа с массой Mj, очевидно, определяется выражением Pi = 0,0373(IupMi oi/ iPxiPyi)2 k, где oi — исходная концентрация (обычно природная) изотопа с массой М , а i — достигнутая его концентрация в результате обогащения. [c.296] И перезарядка ионов, их разброс по энергии, пробои в источнике ионов, сходы спектра с оптимального положения на приёмнике и т.д. Подробно действие всех факторов изотопного загрязнения рассмотрено в [5. [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 [11, 12] соответственно. [c.297] Всего получаем W = 2Ъ кВт, или и)щ = 0,5 кВт час/мг. Но здесь затраты разложены на все изотопы разделяемого элемента. Несколько иная картина получается, если товарной продукцией является только один изотоп, особенно малораспространённый, например УЬ. Для него энергозатраты составят 76 кВт час/мг. Эта величина составляет несколько процентов рыночной стоимости препарата. [c.298] Вернуться к основной статье