Учебное пособие для магистрантов по специальности «Физика кинетических явлений» Часть первая icon

Учебное пособие для магистрантов по специальности «Физика кинетических явлений» Часть первая


2 чел. помогло.
Смотрите также:
Рабочая программа учебной дисциплины Физика (0А01) рп фти 1/УД. 011...
Учебное пособие томск 2010 удк 519. 2...
Учебное пособие Часть первая...
Сборник задач. Часть I. Механика. Молекулярная физика. Термодинамика: Учебное пособие...
Учебное пособие для студентов вузов в 2-х частях часть 1...
Учебно-производственный план 2005/2006 г факультет физико-технический, курс Yномера групп...
Практикум по дифференциальным уравнениям...
Учебное пособие историко-культурные туристские ресурсы Северного Кавказа для студентов по...
Учебное пособие историко-культурные туристские ресурсы Северного Кавказа для студентов по...
Методические указания, программа и вопросы к самостоятельной работе для магистрантов...
Учебное пособие для студентов технических специальностей Павлодар...
Лекционный курс по биологической физике учебное пособие для студентов...



Загрузка...
страницы: 1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   16
вернуться в начало
скачать

^ 3.1.5. Обеспечение компенсации объёмного заряда ионного пучка.

Как уже отмечалось, компенсация объёмного заряда ионов в пучке — одно из основных условий успешного разделения изотопов в электромагнитном сепараторе. Компенсация и её нарушения теоретически и экспериментально изучались во многих работах [13-17].

Основную роль в образовании квазинейтральной плазмы ионного пучка («синтезированной плазмы») играют электроны, появляющиеся в ионном пуч­ке в результате ионизации остаточного газа быстрыми ионами. Образующиеся вторичные ионы выталкиваются из пучка электрическим полем, а электроны остаются в пучке, если к этому созданы условия. Одним из главных условий является наличие потенциального барьера для электронов между пучком и газоразрядным узлом источника 1 (рис. 3.1.1). Этот барьер создают, прикла­дывая к ускоряющему электроду 4 (рис. 3.1.1) отрицательный относительно «земли» (т.е. электрода 5) потенциал.

Ион пучка, проходя через газ с плотностью n0 путь L (от источника до приёмника) создаёт число электронов (пар) N0 ≈ n0σ0L; σ0 — эффективное сечение ионизации ударом иона. По [18] эта величина для ионов с типичными для сепараторов скоростями (1 ÷ 3) ∙ 107 см/с близка к 5 ∙ 10-16 см2. Обычное значение n0 ~ (1 ÷ 5) ∙ 1011 см-3, a L ~ 300 ÷ 600 см, т. е. среднее значение N0 ≈ (2 ÷ 5) ∙ 10-2. Таким образом, минимальное время накопления электро­нов в пучке τе = 1 / (n0σ0vi) ≈ (1 ÷ 20) 10-4 с. Эта оценка приблизительна, она сделана при двух предположениях: электроны из пучка за это время не теряются, а вторичные ионы из пучка уходят.

Распространённая причина нарушения компенсации и роста потенциала пучка выше допустимого — возникновение колебаний плотности объёмного заряда. Их первопричина — колебания в дуговом разряде в источнике ионов. Как следствие возникших колебаний в пучке развивается динамическая де­компенсация объёмного заряда, которая может привести к полному исчез­новению разрешения масс-спектра на приёмнике. Это весьма существенное для практики явление подробно изучено в [12-14] и других работах. Дина­мическая декомпенсация — ещё одно (и существенное) ограничение токов ионных пучков. Но даже при отсутствии колебательных процессов слишком большое τе (при малых n0 = 1010 см-3) приводит к росту потенциала пучка и ухудшению разрешения изотопных линий. Потому-то и существует упомя­нутый выше довольно узкий интервал оптимальных давлений в сепарационной камере (2 ÷ 10) ∙ 10-6 мм рт. ст.


^ 3.1.6. Ионно-оптические схемы электромагнитных сепараторов.

Для дальнейшего изложения нам понадобятся определения и пояснения параметров и понятий, которые в настоящее время являются общепринятыми при разработках ионно-оптических схем (ИОС) для электромагнитных сепа­раторов. Под ионно-оптической схемой подразумевают часть пространства, в котором задано распределение напряжённости магнитного и электрического полей (стационарных или нестационарных), семейства траекторий и их фокусы. Физически траектории представляют собой изображение пути заряженных частиц (ионов) в заданных полях. В одном из фокусов размещается источник частиц (ионов), в остальных размещаются приёмные устройства.

В электромагнитных сепараторах в подавляющем большинстве случаев ис­пользуются ИОС с магнитными полями, обладающими определённой симмет­рией: осевой (аксиальной) или декартовой. В пространстве ИОС существует плоскость, называемая медианой, или средней плоскостью, или плоскостью антисимметрии, относительно которой компоненты вектора напряжённости магнитного поля, записанные в цилиндрической системе координат, удовле­творяют условиям: Hr(r,z) = -Hr(r,-z), Hz(r,z) = Hz(r,-z). Для поля с декартовой симметрией Hy(y,z) = - Hy(y,-z), Hz(y,z) = Hz(r,-z), если изменение поля происходит в направлении координаты Y.

ИОС накладывают определённые требования на источники ионов с точки зрения формирования пучков в пространстве: они, как правило, должны иметь биклиновидную форму, т.е. быть расходящимися в проекции на меди­анную плоскость и сходящимися в проекции на вертикальную (перпендику­лярную медианной) плоскость.

Геометрические параметры, характеризующие извлекаемый из источника ионов пучок, следующие: a1, a2 углы, под которыми частица выходит из источника ионов по отношению к оси пучка в проекции на медианную и вер­тикальную плоскости соответственно; a3 и a4 — линейные смещения точки вылета частицы от оси пучка, выраженные в единицах r0 (определение r0 мы дадим ниже), в горизонтальной и вертикальной плоскостях, соответственно. Аналогично определяются параметры β1, β2, β3, β4 на входе пучка ионов в приёмные устройства. Хроматические параметры a6 = ε и a5 = γ = ∆M/M0 характеризуют разброс в пучке по энергии и по массе соответственно, при заданных фиксированных значениях ε0 (энергии) и М0 (массы). К основным характеристикам ИОС относятся: геометрия спектральной линии в плоскости, перпендикулярной осевому лучу; величина дисперсии т. е. расстояние между фокусами изотопов, отличающимся на 1% ∆M/M0, вдоль линии, перпен­дикулярной осевому лучу; угол наклона линии фокусов, т. е. угол между перпендикуляром к осевому лучу в точке фокусировки основной массы M0 и касательной к линии фокусов в этой точке.

Практически во всех ИОС с осесимметричными магнитными полями траекторией однозарядной частицы (иона) с массой M0 и a1 = 0 является окружность радиуса r0. При решении уравнений движения в полях с осевой симметрией естественно пользоваться цилиндрической системой координат. Плоскость (r, φ) системы координат совпадает с медианной плоскостью, а ось Z совпадает с осью симметрии магнитного поля и направлена по вектору напряжённости магнитного поля. Если r — радиальная координата некоторой точки пространства, то при теоретических исследованиях ИОС в параксиальном приближении (|a1| << 1) вводится безразмерная координата, η = (r - r0) / r0, для которой |η| << 1. При выполнении исследований с по­мощью ЭВМ вводится безразмерная координата η = r / r0, использование которой более удобно при вычислениях в широком диапазоне углов a1. В на­правлении Z вводится безразмерная координата ξ = z / r0. При исследовании ИОС с вынесенными из магнитного поля фокусами вводятся кроме того безразмерные параметры λ1 = L1 / r0 и λ2 = L2 / r0, где L1 и L2 — расстояния от первого фокуса (источник ионов) и второго фокуса (приёмник ионов) до края магнитного поля, соответственно. Эти величины называют входным и выходным плечами ионно-оптической схемы.

Нетрудно показать, что в ИОС с однородным магнитным полем ширина кроссовера траекторий (т. е. наиболее узкой зоны в области фокусировки пучка) пропорциональна а12, а эта величина непосредственно связана с про­изводительностью электромагнитного сепаратора: практически всегда вели­чина тока, извлекаемого из источника ионов, пропорциональна а1. Таким образом, увеличение а1 приводит к увеличению ширины кроссовера, что в действующем сепараторе приводит к увеличению загрязнения изотопов друг другом. Этот недостаток ИОС с однородным магнитным полем был устранён разработкой безаберрационных («квазиоднородных», т.е. скорректированных однородных) магнитных полей, выполненной в России Арцимовичем и Кельманом, в США — Оппенгеймером. Но и такие ИОС не позволяют создать электромагнитный сепаратор, на котором можно достигнуть высокой кратно­сти обогащения получаемых изотопов с массой М > 100 а.е.м. из-за малой величины дисперсии на 1 % относительной массы (при разумных значениях величины r0).

Появившиеся применения высокообогащенных стабильных изотопов в ка­честве исходного материала для медицинских технологий по диагностике и лечению различных заболеваний, в промышленности и агротехнике, в ядер­но-физических исследованиях, потребовали поисков новых ИОС для создания электромагнитных сепараторов с большей дисперсией на 1 % относительной разницы масс, чем это дают ИОС с однородным магнитным полем при одном и том же значении радиуса го центральной траектории. Такими оказались ИОС с неоднородными магнитными полями. В России разработка ИОС со спадающими по радиусу магнитными полями была начата в 50-х годах Л. А. Арцимовичем. В конце 50-х годов А.Ф. Маловым и др. был завершён этап разработки метода расчёта в параксиальном приближении ИОС со скре­щенными осесимметричными электрическим и магнитным полями секторного типа [19-22]. Предложенный метод позволяет рассчитать параметры ИОС для фокусировки любого порядка в медианной плоскости без учёта рассеянного магнитного поля и фокусировку первого порядка в вертикальной плоскости с учётом рассеянного магнитного поля. В этой же работе показано, что в параксиальном приближении изменения параметров ИОС в медианной плос­кости с учётом рассеянного магнитного поля проявляются только в третьем порядке, и то в практически малых значениях. В 1968 году результаты исследований в том же направлении были опубликованы Б. В. Паниным в пре­принте [22], на который мы будем в дальнейшем ссылаться, как на более доступный.

В общем случае для исследования траекторий в ИОС используется систе­ма геометризованных уравнений, являющихся следствием уравнений движе­ния. Мы приведём эти уравнения в отсутствии электрического поля и а6 = 0:

(3.1.6)

где:



Здесь h(η) — некоторое заданное распределение напряжённости магнит­ного поля в средней плоскости; G = (∂ / ∂η(η∂ / ∂η)) / η и Gn определяется индуктивно по натуральному числу n: n = 0 → Gn = - 1, n > 0 → Gn — последовательное применение оператора G n раз. Функцию h(η) в паракси­альном приближении (|a1| << 1, |η| << 1) обычно ищут в виде ряда h(η) = 1 + А1η + А2η2 + ... [20-22]. Ограничиваясь вторым порядком малости по параметрам ξ, η, γ, систему уравнений (7.1.6) можно привести к виду:

(3.1.7)



где ω2 = 1 + А1, Ω2 = –А1, а = 1 + 4 ω2 – А2, d = 2 + (1/2)А1, g=2А2 + 4A1.

Решение системы (7.1.7) ищут в виде разложений в ряд по степеням малых параметров аi (i = 1- 6) с заданными граничными условиями [21-23]:



Функции fi, fij, gi, gj находятся из системы рекуррентных соотношений [21-23] и позволяют вычислять все основные параметры ИОС. Так, например, дисперсия по массе в ИОС с радиальной границей магнитного поля в первом приближении по γ в [20] записывается в виде:

(3.1.8)

где λ2 — безразмерное расстояние от края магнитного поля до точки фокуса траекторий основной массы M0, ψ — полный угол поворота центральной траектории в магнитном поле.

Как видно из (3.1.8), для ИОС с однородным магнитным полем дисперсия Dm = r0γ. На основании (7.1.8) легко сделать вывод, что ИОС с неодно­родными магнитными полями (A1 ≠ 0) обладают большими дисперсионны­ми возможностями по сравнению с ИОС с однородным магнитным полем при одном и том же значении радиуса центральной траектории r0. Кроме того, они создают более удобную для приёма разделённых изотопов геомет­рию спектральных изотопных линий: изображение в вертикальной плоскости практически прямое, и, таким образом, в сепараторах с неоднородными маг­нитными полями можно использовать более простую конструкцию приёмных устройств.


^ 3.1.7. Электромагнитные сепараторы с неоднородными магнитными полями. В России, США, Израиле, Франции, позже в Китае, были постро­ены электромагнитные сепараторы, использующие различные ИОС с неодно­родными осесимметричными магнитными полями. В первых таких сепарато­рах (США, ORNL) источник и приёмник ионов были расположены в маг­нитном поле и полный угол разворота центральной траектории в магнитном поле равен 255°. Коэффициент спада магнитного поля в медианной плоскости в окрестности центральной траектории равен n = 0,5 (А1 = – 0,5) и дисперсия по массам Dm = 2r0γ, см. (3.1.8).

Во Франции в Orsay в середине 60-х годов было начато строительство электромагнитного сепаратора с коэффициентом спада магнитного поля в ме­дианной плоскости n = 0,5 и полным углом разворота центральной траектории в магнитном поле ψ = 135° [12]. Применена равноплечная схема с λ1 = λ2 = 1,26 при го = 85 см. Межполюсной зазор на центральной траектории – около 15 см. Расчётная величина дисперсии равна Dm = 1700γ мм, 2а1 = 6°. После проведения коррекции магнитного поля показатель спада магнитного поля n оказался больше – 0,523, а измеренная величина диспер­сии – Dm = 2000γ мм. На этом сепараторе были проведены разделения изо­топов Rb, Хе, Hg и др. с высокой кратностью обогащения [12], см. табл. 3.1.3.

В Ок-Риджской Национальной лаборатории в США в 60-х годах был построен электромагнитный сепаратор на основе ИОС с фокусирующим силь­но неоднородным магнитным полем, спадающим в медианной плоскости по закону H = H0(r0/ r)0,8 [24]. Полный угол разворота центральной траектории в медианной плоскости равен ψ = 180°. Расчётная апертура пучка ускорен­ных ионов при выходе из источника составляла а1 = ± 1°, однако после проведения коррекции магнитного поля реальная ширина кроссовера пучка оказалась ≈ 1,2 мм для а1 = ±2,5°. Приёмник и источник ионов вынесены из магнитного поля.




Рис.3.1.3. ИОС сепаратора с n = 0,8 (ORNL)


ИОС этого сепаратора в медианной плоскости показана на рис.3.1.3. Схе­ма симметрична, центральная траекто­рия на входе в магнитное поле и на выходе из магнитного поля не перпенди­кулярна границе магнитного поля (при условии скачкообразного обрыва магнитного поля до нуля вне магнитного полюса). В сепараторе перед входом пучка в магнитное поле и после его выхода из поля установлены магнитные экраны для подавления рассеянного магнитного поля. К сожалению, в настоящее время влияние рассеянного магнитного поля на параметры схемы для неоднородных магнитных полей можно рассчитать только для малых а1. Для случая широкоапертурных ИОС с неоднородными магнитными полями процедура предварительного учёта влияния рассеянного магнитного поля на параметры ИОС не разработана. Расчётная величина дисперсии в Ок-Риджском сепараторе Dm = 3980 ∙ γ мм, а реальная её величина оказалась 4270 ∙ γ мм. Расхождение в численном значении можно отнести за счёт того, что при расчёте учитывался только первый порядок по γ и реальный спад магнитного поля в окрестности центральной траектории n >> 0,8 за счёт влияния рассеянного магнитного поля.

Наиболее перспективными в промышленном использовании, на наш взгляд, являются электромагнитные сепараторы, построенные на основе ИОС с неоднородным магнитным полем, спадающим в медианной плоскости по закону H0V0 = Н(r) ∙ r.

Исследование таких ИОС было начато в работе [25] и завершено в [26]. Магнитное поле такого типа не является фокусирующим и фокусировку пучка ионов организуют либо входной и выходной границами, имеющими форму окружности, (односекторный вариант), либо размещением на входе пучка ионов в магнитное поле и выходе его из магнитного поля секторов с однородным магнитным полем с расчётной границей сопряжения (трёхсекторный вариант). В ИЯС РНЦ «Курчатовский институт» были рассчитаны и построены электромагнитные сепараторы с показателем спада магнитного поля n = 1 с обоими способами фокусировки. Односекторный вариант схема­тически изображён на рис. 3.1.4. Это симметричная схема с λ1 = λ2 = ψ = 2, рассчитанная на апертуру а1 = ±3,5°. Дисперсия Dm = 2000 ∙ γ мм при r0 = 100 см, расчётное значение угла наклона линии фокусов около 26°, но после проведения коррекции магнитного поля измеренное его значение оказалось близким к 45°.





Рис. 3.1.4. Односекторная ИОС с n = 1 (РНЦ «Курчатовский институт»)


Трёхсекторная ИОС электромагнитного сепаратора в медианной плоскости изображена на рис. 3.1.5. Дисперсия в этой ИОС вычисляется по формуле:

(3.1.9)

где ψ1 = arctg(l/λ1), ψ2 = arctg(l/ λ2).

Радиус центральной траектории равен r0 = 70 см. Величина дисперсии, вычисленная по формуле (7.1.9), равна Dm = 3500 ∙ γ мм. После проведе­ния коррекции магнитного поля её измеренная величина оказалась близкой к Dm = 4000 ∙ γ мм, ширина кроссовера пучка ионов ≈ 3,5 мм при апертуре пучка ионов, извлекаемого из источника, а1 = ± 10°.



Рис. 3.1.5. Трёхсекторная ИОС с n = 1 (РНЦ «Курчатовский инсти­тут»)




Рис. 3.1.6. ИОС «двухлучевой» установки (РНЦ «Курчатовский институт»)


Для повышения эффективности использования исходного вещества в про­цессе сепарации, что особенно актуально для разделения изотопов с ис­пользованием дорогостоящих исходных веществ, в ИЯС РНЦ «Курчатовский институт» был разработан метод расчёта специальных ИОС с неоднородным магнитным полем, в которых одновременно могут фокусироваться пучки заряженных частиц с наперёд заданными значениями e/m при заданной величине дисперсии по массам [27, 28]. С использованием это­го метода был выполнен расчёт и построен электромагнитный сепаратор, в котором осуществляется одновременная фокусировка пучков однозаряд­ных и двухзарядных ионов. Схема этого сепаратора приведена на рис.3.1.6. На этой установке выполнены эксперименты с целью достижения максималь­но возможного значения эффективности использования рабочего вещества. При хорошо разрешённых изотопных линиях одно- и двухзарядных ионов свинца и суммарном токе на приёмники In ≈ 40 мА было получено среднее значение коэффициента использования рабочего вещества по ионному току на приёмники ≈ 63%.


^ 3.1.8. Современная роль электромагнитного метода. Пути прогресса.

К настоящему времени, несмотря на развитие других методов, разделение изотопов более 30 элементов периодической системы производится электро­магнитным методом. Изотопы некоторых элементов, например Zn, Hg и др. по разным причинам производятся двумя методами. Для Hg это электромаг­нитный и фото-химический методы. Имеют только «электромагнитное» происхождение такие нуклиды, как 201Т1, применяемый как стартовый материал для получения на циклотронах радионуклида 201Т1, широко используемого в кардиологии; 168Yb, требующийся для получения радионуклида 169Yb ме­дицинского и технологического (γ-дефектоскопия) назначения. (В последние годы ведётся отработка лазерной AVLIS-технологии для получения нуклида 168Yb). Электромагнитным методом производится разделение изотопов прак­тически всех редкоземельных, щёлочноземельных и щелочных элементов, а также элементов платино-палладиевой группы. Среди них такие постоянно применяемые изотопы, как 48Са — для физических исследований, 43,44Са — для изготовления радиофармпрепарата 43К для кардиологии, 40,41К — для аг­рохимических и фармакологических исследований; 87Rb, 148Nd, 154Sm — для геофизических исследований (определение возраста горных пород), 84Sr — для изготовления радиофармпрепарата 85Sr, применяемого при диагностике заболеваний костей, 151Eu, , 152Gd — для наработки радионуклида 153Gd технологического применения и т.д. [7]. Поэтому имеют смысл поиски путей увеличения производительности электромагнитных разделительных устано­вок и снижения себестоимости изотопных препаратов.

Увеличение производительности — это повышение тока, извлекаемого из источника ионов. Об имеющихся здесь трудностях подробно говорилось вы­ше, поэтому нужны нетрадиционные подходы. Один из них — использование неоднощелевых источников ионов. Возможности их применения предоставля­ют высоко-дисперсионные сепараторы.

Варианты нетрадиционного решения задачи существенного повышения производительности электромагнитного метода разделения изотопов предло­жены в работах [29, 30]. В электромагнитных сепараторах этого типа пред­лагается использовать в качестве источников ионов плазменные ускорители ионов с замкнутым электронным дрейфом. Ускоряющий потенциал ионов в этих источниках значительно меньше соответствующих величин для тради­ционно используемых в действующих в настоящее время электромагнитных сепараторах. В связи с этим одним из важных вопросов, не затронутых в на­званых докладах, является вопрос о влиянии рассеяния ионов на остаточном газе при этих энергиях на качество фокусировки пучков. В целом же эти предложения требуют серьёзных экспериментальных исследований.

Для снижения себестоимости во многих случаях желательно уменьшение энергозатрат при производстве изотопнообогащенных препаратов. Как ясно из сказанного выше, наименьшие затраты получаются при использовании установок с минимально необходимым для требуемой производительности объёмом магнитного поля и наименьшими размерами сепарационной каме­ры. Старые многолучевые сепараторы с зазорами между полюсами магнитов в десятки см, особенно если используется далеко не полное проектное число ионных «лучей», находятся с этой точки зрения в невыгодных условиях.

Заметный резерв снижения себестоимости — улучшение использования рабочего времени установок, т.е. сокращение технологических пауз, что тре­бует надлежащей отработки сменного оборудования и технологии разделения. Весьма важно также уменьшение трудозатрат на эксплуатацию сепараторов. К сожалению, в автоматизации работы установок, особенно многоцелевых, т.е. применяемых для разделения изотопов многих элементов, есть немалые трудности. При этом уменьшение трудоёмкости ведения процесса разделения (сокращение времени работы операторов) в большой степени сводится на нет ростом трудозатрат на эксплуатацию систем автоматизации, устранение их неисправностей. При всех преимуществах, которые даёт автоматизация, снижение расходов на эксплуатацию электромагнитных сепараторов при внед­рении автоматики вызывает сомнения.

Что касается качества обогащения, то современные высоко-дисперсионные электромагнитные сепараторы могут в одном цикле разделения обеспечить обогащение многих изотопов до 99,0 ÷ 99,999%, что сводит к минимуму необходимость весьма дорогого повторного обогащения.





оставить комментарий
страница7/16
Дата26.09.2011
Размер3.65 Mb.
ТипУчебное пособие, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы: 1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   16
отлично
  9
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх