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   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   16
вернуться в начало
скачать

3.2.2. Источники плазмы для разделительных ИЦР-установок. Ра­нее были определены параметры плазмы, приемлемые для установки по разделению изотопов никеля: ni 1012 см-3, v10 эВ. Разумеется, они приемлемы и при разделении изотопов многих других элементов.

Рассмотрим сначала способы получения паров металлов. Их два: испа­рение при нагреве и распыление путём бомбардировки поверхности металла быстрыми (1-50 кэВ) ионами или нейтралами. Последнее явление обнаруже­но в газовых разрядах и поэтому получило название катодного распыления (падающие на катод ионы вызывают распыление катодного вещества). Легко испаряемых металлов немало, в их числе — щелочные и щёлочноземельные, в некоторых изотопах которых имеется постоянная потребность. Испарённые атомы имеют температуру нагревателя (0,1-0,2 эВ), поэтому требуется не только ионизовать пары, но и дополнительно нагреть полученные ионы.

Приведём некоторые данные по катодному распылению [21, 22]. Они получены при бомбардировке мишеней пучками ускоренных ионов. Прежде всего отметим, что коэффициент распыления Y, как правило, превыша­ет единицу. Для некоторых элементов Y > 10 (Zn, Ag, Cd, Sb, Au, Tl, Bi, Pb). Большинство экспериментов по катодному распылению проведено при энергиях падающих ионов в несколько десятков кэВ, соответствующих максимуму коэффициента распыления. Однако характер зависимости Y(Z) сохраняется и при меньших энергиях распыляющих частиц. Благоприятная ситуация с коэффициентами распыления иногда не может быть использована на практике в разделительной ИЦР-установке, поскольку слишком велика энергия распылённых частиц. Так при разделении изотопов Си, Pd, In, Sb, Pt, Ni возникает проблема выбора между величинами коэффициента распыления и энергии распылённых частиц. Ионизация распылённых частиц даёт сразу, без подогрева, плазму с достаточной начальной энергией ионов.

К настоящему времени в ИЦР-установках для создания «металлической» плазмы использованы источники трёх видов. В первом из использованных источников [3] применялась ионизация испарённых атомов калия на по­верхности горячей вольфрамовой или рениевой пластины (Q-machine). Этот способ создания плазмы, по-видимому, не имеет практического значения. В большинстве установок создаваемая таким образом плазма не имела плот­ности выше 1011 см-3, температура же равнялась температуре пластины (~0,2 эВ). Сомнение в правильности такого взгляда вызывает результат, приведённый в работе [23], где получена урановая плазма с плотностью выше 1012 см-3. Авторы давали прогноз и на получение урановой плазмы с плотностью 1014 см-3. Однако новых публикаций не последовало.

Следующий источник, наоборот, пригоден для промышленной ИЦР-установки: площадь создаваемого им потока плазмы S > 800 см2 [24, 25]. Пластина из металла, изотопы которого следует разделить, помещает­ся на конце соленоида. На пластину подаётся отрицательный потенциал |U| ≥ 0,5 кВ, а к её поверхности направляется СВЧ-излучение. Частота СВЧ-колебаний и величина магнитного поля в месте расположения распыляемой металлической пластины согласовываются, чтобы на расстоянии в несколько сантиметров от её поверхности выполнялось условие для электронного цик­лотронного резонанса (ЭЦР). В качестве генераторов СВЧ-излучения в [24] использовались, в частности, гиротроны (28 ГГц). При этом было необходимо разместить распыляемую пластину в области сильного спада магнитного поля, поскольку ЭЦР соответствует поле В = 1 Тл.

Работа источника начинается с ионизации ЭЦР-разрядом специально на­пускаемого инертного газа. Затем в зависимости от величины коэффициента распыления подача инертного газа либо прекращается, либо уменьшается. В некоторых случаях вместо инертного газа можно использовать пары дру­гого, легко испаряемого металла, полученные вблизи распыляемой пластины. Электронный компонент образующейся плазмы находится в комбинированной ловушке между магнитной пробкой и отрицательно заряженной пластиной. Поток плазмы в установку, который начинает формироваться за счёт ухо­да электронов в конус потерь, в стационарном состоянии является амбиполярным процессом. Принято считать, что вдоль магнитного поля плазма распространяется с ионно-звуковой скоростью: viz ~ Te/Mi Достигнута величина плотности эквивалентного ионного тока в потоке плазмы порядка 10 мА/см2. СВЧ-разряд был применён и для ионизации паров кальция, полу­ченных обычным испарением [9]. Вероятно, что при таком варианте работы источника температура ионов оказывается низкой (~ 1 эВ): в ЭЦР-разряде быстро нагреваются электроны, ионы же приобретают энергию только за счёт электрон-ионных соударений. Сделана попытка ответить на этот вопрос с помощью лазерной спектроскопии [26]. Пока известен только результат измерений в разреженной бариевой плазме — температура ионов при ni = 1,5 ∙ 1011 см-3 составила 0,5 эВ.

Третий тип источника был использован в экспериментах по селективному нагреву изотопных ионов лития [10]. Плазма создавалась в разряде (75 А, 20-30 В), возбуждаемом в парах лития вдоль магнитного поля между на­калённым вольфрамовым катодом диаметром 36 мм и анодом в виде сетки, изготовленной из вольфрамовой проволоки диаметром 2,5 мм. Мощность подогревателя катода составляла 1,5 кВт. Плазма свободно распространялась по магнитному полю через ячейки сетки и поступала в зону высокочастотного нагрева. Площадь потока плазмы составляла 20-30 см2, плотность частиц — около 1012 см-3, температура ионов 5-10 эВ. Пары лития подавались в раз­ряд через катод, при этом подача вещества не превышала 10-3 г/с. Было возможно снизить энергетическую цену иона до 0,5-1,0 кэВ. По-видимому, этот вид разряда не найдёт применения в разделительных ИЦР-установках, где требуются потоки плазмы с площадью сечения S ~ 0,1 м2.

Таким образом, пока разработан только один вариант источника для крупной установки: это источник плазмы с СВЧ ионизацией атомов.


3.2.3. Способы циклотронного нагрева ионов. В первой эксперимен­тальной работе, посвященной ИЦР-методу разделения изотопов [3], были использованы два способа циклотронного нагрева: индукционный, осуществ­ляемый путём наложения на постоянное однородное магнитное поле слабого переменного, и электростатический, в котором разность потенциалов в плазме создавалась за счёт контакта с торцевыми электродами, присоединёнными к источнику переменного напряжения.

При индукционном нагреве конструкцией антенны задаются величина продольного волнового вектора kz и азимутальная мода т нагревающего поля. Вследствие конечной длины антенны существует спектр значений kz а конечные поперечные размеры проводников в антенне обуславливают на­личие высших азимутальных мод. Главным при выборе конструкции антен­ны является необходимость обеспечить одновременно и проникновение поля в плазму, и достаточную селективность нагрева. Эти требования противоречи­вы: для лучшего проникновения поля следует увеличивать kz, а для большей селективности нагрева, согласно (3.2.11) — уменьшать.

Контактный способ неудобен для промышленных установок. Потребова­лось бы совместить функции антенны и системы сбора продукта (см. раздел 3.2.4) в одной конструкции. Имеются и физические проблемы: электростати­ческий механизм создания поля в замагниченной плазме действует лишь при малой концентрации резонансных частиц в бинарной смеси ионов [27, 28].

Фактически предпочтение уже отдано индукционному способу нагрева именно он использовался в экспериментах, ориентированных на демонстра­цию практических возможностей ИЦР-метода. В качестве индукционных ан­тенн в экспериментах [5, 10] применялись четырёхзаходные винтовые обмот­ки, создающие нагревающие поля с модой т = 1. Этот тип антенн предложен Хиппом и др. [29]. В первом приближении математической моделью таких антенн является токовый слой радиуса R, длины 2L, параметры которого меняются синусоидально с переменными t, z и v, Так, вектор поверхностно? плотности тока равен:

(3.2.14)

Здесь I — амплитуда поверхностной плотности тока, kz = 2πz, где λz — шаг винта, ψ = tg-1(kzR/m).

Реальная конструкция антенны изображена на рис. 7.2.2 (этот рисунок содержится в патентной заявке фирмы TRW [30]). Антенну образуют четырёхпроводные винтовые полосы, размещённые по азимуту через 90°. С одной стороны полосы закорочены проводящим кольцом. Противоположные концы полос присоединены к вводам ВЧ-мощности в вакуумную камеру. Снаружи к этим вводам присоединяется четырёхфазный генератор. Последовательность фаз токов, возбуждаемых генератором, выбирается такой, чтобы индуцировать в плазменном столбе электрическое поле, вращающееся в направлении ларморовского вращения ионов.

Четырёхфазные винтовые антенны обладают направленностью, и в них создаётся поле, бегущее в осевом направлении. Его компонента В влияет на процесс нагрева ионов, приводя к колебаниям их скорости [31]. При этом изменяется и среднее значение продольной скорости ионов: в зависимости от направления фазовой скорости (vph ↑↑ viz или vph ↑↓ viz) ионы внутри антен­ны либо ускоряются, либо тормозятся. По-видимому, влиянием бегущего поля вызвано смещение резонанса при изменении тока антенны, наблюдавшееся в работе [32]. Благоприятное для ИЦР-метода разделения свойство винтовых антенн с т = 1 состоит в том, что они создают электрическое поле по всему сечению плазменного потока. В экспериментах на установке ERIC (Франция) использовались винтовые двухфазные антенны, конструкция которых показа­на на рис. 7.2.3.

Авторы недавней работы [33] предложили, однако, использовать для се­лективного нагрева ионов 157Gd+ индукционную антенну в виде обычного соленоида = 0). Они считают, что поле, создаваемое винтовыми антен­нами, имеет слишком высокое среднее значение kz и не позволяет получить достаточную селективность при нагреве ионов редкоземельных элементов. Был детально проанализирован и спектр волновых чисел винтовой антен­ны [34]. Автор также считает, что использование винтовой антенны не обеспечивает высокой селективности нагрева. По-видимому, спор разрешится только в итоге новых экспериментов. Пока применялись в основном винтовые антенны. Антенна в виде соленоида была использована лишь в первых опытах по ИЦР-разделению [3].

Правильный выбор конструкции и параметров антенны позволяет реализовать потенциальную производительность установки, задаваемую потоком плазмы из источника: G = MinivizS. В частности, выбором антенны опре­деляется, будут ли нагреты ионы по всему сечению S плазменного столба. На практике для выбора антенны целесообразно воспользоваться формула­ми (7.2.3), (7.2.10) и (7.2.12). Таким образом, будут определены средний волновой вектор электрического поля kz, напряжённость поля Е и длина зоны нагрева L,

обеспечивающие селективность нагрева.


При обсуждении вопроса о проникновении поля в плазму на частоте ИЦР обычно указывают на возможность компенсации объёмного заряда нагреваемых ионов электронными токами вдоль магнитного поля [30, 35]. Такая компенсация происходит как при селективном, так и неселективном нагреве. Но при селективном нагреве ионов изотопов с низкой концентрацией возможно и другое: компенсация объёмного заряда за счёт «out-of-phase» движения ионов основного изотопа. На это обстоятельство обращено внима­ние в работе [3]. В случае нагрева ионов изотопа гадолиния 157Gd+ ионы других изотопов взаимно компенсируют, как отмечено в [19], свой вклад в диэлектрическую проницаемость плазмы.

Поэтому решение задачи о проникновении поля в плазму при изотопически селективном нагреве требует учёта изотопного состава элемента.

3.2.4. Отборники селективно нагретых частиц. Техника получения обогащенного продукта в разделительных ИЦР-установках пока основана на физических представлениях, находящихся в рамках одночастичной модели движения ионов.

Отбор продукта из плазменного потока производится на открытые проводящие пластины, плоскость которых ориентируется параллельно внешнему магнитному полю, т.е. параллельно направлению распространения плазмы. Траектория движения ионов — винтовая и очевидно, что пластина, шири­на которой порядка шага винтовой траектории иона, соберёт все частицы, двигавшиеся в слое плазмы толщиной в два ларморовских радиуса (2rL). Если в результате селективного циклотронного нагрева один из изотопных компонентов приобрёл большую поперечную энергию, то этот компонент будет осаждаться из слоя большей толщины (2rL*). Таким образом, поток двух-температурной плазмы с различной температурой изотопных компонен­тов создаёт обогащенный осадок на рассекающей его пластине даже в том случае, когда пластина находится при потенциале плазмы.

Достигаемая при этом степень разделения qrL*/rL, где q = с × (1 — с0)/ с0 (1 — с), где с и с0 — концентрации выделяемого, целевого изо­топа в продукте и исходной смеси. Величину q, полученную при нулевом за­держивающем потенциале на пластине (Ur = 0), называют «геометрическим» фактором разделения [9]. Его значения могут составить несколько единиц: rL*/rL = √ W* / W┴0.

Чтобы собирать нагретые ионы по всему сечению плазменного потока, необходим набор пластин в виде решётки (рис. 3.2.1). В таком отборнике интервалы между пластинами долж­ны составлять rL* ÷ 2rL*. За пла­стинами, собирающими обогащенный продукт, устанавливается приёмник обеднённого целевым изотопом пото­ка (т.н. «отвал»). Оба узла целесо­образно смонтировать в одном блоке. На рис. 3.2.4 показана схема ячейки отборника, предложенного в [30].





Следует обратить внимание на на­личие экрана 1 перед пластинами 2, собирающими продукт. При таком расположении холодные ионы не достигают собирающей пластины, если их ларморовский радиус меньше высоты экрана (этим данная система подобна ионному электростатическому анализа­тору, описанному в [36]). Благодаря экрану увеличивается «геометрический» фактор разделения. Однако при этом уменьшается коэффициент извлече­ния γ: площадь сечения плазменного потока, занятая экранами, исключается из процесса разделения (вещество, осаждённое на экранах, имеет состав, близкий к исходному).

Степень разделения, достигаемая за счёт геометрического фактора, в большинстве случаев недостаточна, поэтому в конструкции отборника предусматривается подача на пластины, собирающие продукт, положитель­ного потенциала Ur до нескольких сот вольт. Селекция ионов по энергиям позволяет на порядок повысить степень разделения q, но одновременно уменьшается поток продукта и коэффициент извлечения γ. В конце ячейки на поперечной пластине 3 конденсируется обеднённый поток («отвал»). В случае распыления сконденсированного вещества его атомы улавливаются набором полос, закреплённых на поперечной пластине.

Элементы отборника испытывают тепловые нагрузки и должны охла­ждаться. Плотность теплового потока на экраны и поперечные пластины может составить десятки ватт на квадратный сантиметр. Не совсем ясно, как оценивать предварительно тепловой поток на пластины, собирающие продукт: при высоких Ur на них наряду с ионным течёт и электронный ток. Количество ячеек, устанавливаемых в отборнике, определяется размерами сечения плазменного потока, в котором производится селективный нагрев изотопных ионов.

С увеличением магнитного поля в установке из-за уменьшения rL потребовалось бы сократить размеры экранов, расстояние между пластинами и т.д. Как предложено в [37, 38], рациональнее выносить отборную систему из области однородного магнитного поля, где производится нагрев, на край соленоида, в спадающее магнитное поле. В результате размеры отборной системы не будут жёстко «привязаны» к величине поля В, выбранной для селективного нагрева. Нет необходимости использовать крупные отборные системы для первоначальной настройки разделительной ИЦР-установки. Для этой цели можно воспользоваться зондами [10].

Вопросы, связанные со сбором нагретых ионов на коллектор, были пред­метом нескольких теоретических работ [39-42]. Расчёты относительного распределения плотности осадка по поверхности коллектора и зависимости средней концентрации выделяемого изотопа от Ur качественно согласуются с результатами измерений. Но в целом проблема отбора, видимо, выходит за рамки одночастичного приближения, использовавшегося в указанных ра­ботах. Не достигнуты значения коэффициента извлечения γ, рассчитанные в [39]. В экспериментах величина γ ≤ 0,3. Возможно, на сбор нагретых ионов влияет их объёмный заряд, возникающий после отрыва от электронов вблизи поверхности коллектора. Подобные вопросы теорией ещё не затронуты.

3.2.5 Заключение. Завершим описание ИЦР-метода разделения, представив результаты некоторых экспериментов в этой области. Речь идёт в ос­новном об экспериментах по разделению изотопов, выполненных во Франции и России. Французская установка ERICEnrichissement a l'aide de Resonance Ionique Cyclotronique — изображена схематически на рис. 7.2.5. Основным её элементом является сверхпроводящий соленоид. Его длина — 3,4 м, диаметр «тёплого» отверстия — 0,3 м, протяжённость области однородного магнитно­го поля — 2 м, ∆В/В = ±5 ∙ 10-3, магнитное поле — до 3 Тл. Конструкторы соленоида создали идеальные условия для диагностики плазмы, предусмотрев зондовые вводы и оптические окна. При этом пришлось отказаться от более высокой, чем указанная, однородности магнитного поля. Диагностические возможности широко использовались. С помощью двух методик (оптического интерферометра и электростатического анализатора) было установлено, что функция распределения ионов основного изотопа (40Са+), нагретых в условиях ИЦР, является максвелловской. Практически совпали и измеренные обоими способами температуры [9]. Наблюдалась величины √∆vi, означает приращение темпера­туры ионов, от амплитуды тока в индукционной антенне Iа (рис. 3.2.6).

Линейная зависимость соответствует элементарной модели ускорения ионов (3.2.3): W ~ Е2. Как следует из приведённых данных, немного помощью электростатического анализатора — на установке ERIC ис­пользовался анализатор, описанный в работе [36] — были измерены тем­пературы различных изотопных ком­понентов цинка, достигаемые при их селективном нагреве. В эксперимен­тах ступенчато изменялась часто­та нагревающего поля. Полученные результаты показаны на рис. 3.2.7. Они представляют интерес для уточ­нения представлений о проникнове­нии внешнего электрического поля в плазму. Природные концентрации изотопов цинка существенно различа­ются: с = 0,486 у изотопа 64Zn и с = 0,006 у изотопа 70Zn. К сожалению, в работе [44] не приведена конкретная величина плотности плазмы, а указан лишь её интервал, относящийся и к другим экспериментам: 1011 ÷ 1012 см-3.



Измерялся изотопический состав вещества, накопленного отборником.

За время эксперимента, продолжавшегося обычно несколько часов, накап­ливалось от нескольких долей грамма до нескольких грамм обогащенного вещества.

Проводились эксперимен­ты по обогащению кальция, цинка, бария и некоторых других элемен­тов [44-46]. При получении каль­ция, обогащенного изотопом 48Са, была достигнута степень разделе­ния q = 24. При обогащении бария изотопом 132Ва и иттербия изото­пом 176Yb степень разделения со­ставила 8,5 и 6. Относительно двух экспериментов известно только ло­кальное значение степени разделе­ния (ql). Вероятно, оно относится к тому участку площади отборника, где обогащение максимально. Вели­чина ql = 13,6 (50Сг); 33 (168Yb). Наблюдалась существенная зависи­мость степени разделения от потен­циала коллектора Ur. Величина ql (48Са) возрастала от 11,5 (при Ur = 0) до 133 (при Ur = 30 В) [9]. Значение ql = 133 в рамках доступной нам информации — рекордное для ИЦР-метода. Таковы основные итоги исследований на французской установке ERIC.

Схема установки, использовавшейся в РНЦ «Курчатовский институт» для исследования разделения изотопов лития ИЦР-методом [10], показана на рис. 3.2.8. Как было отмечено в разделе 3.2.2, в этой установке использовался источник плазмы третьего типа — дуговой разряд в продольном магнитном поле. Неофициальное название установки — «Сирень» — точно характеризует свечение разряда в парах лития.

Литий подавался в катод 2 в жидком виде. Внутри катода литий испа­рялся. Пары лития поступали в разряд через отверстия в катоде, концевая часть которого была заполнена отрезками вольфрамовой проволоки диамет­ром 1,5 мм. Разряд поддерживался между катодом и сеткой 5. При расстоянии от катода до сетки более 30 см, подаче лития ~ 10-3 г/с и напряжении до 100 В разрядный промежуток не пробивался. Для поджига требовалось возбудить разряд между катодом и цилиндрическим анодом 3, а затем элек­трически соединить анод с
сеткой.




Плазма из области разряда распространялась по магнитному полю к про­тивоположному концу установки и литий конденсировался на приёмни­ке плазменного потока 8. Набор магнитных катушек 10 создавал внутри вакуумной камеры 1 магнитное поле с однородным участком (∆В/В << 1 %) длиной около 80 см. Магнитное поле варьировалось в диапазоне 0,1-0,28 Тл. Сечение плазменного столба в области однородного магнитно­го поля определяется диаметром использованного катода и соотношением магнитных полей в источнике и в этой области. В источнике плазмы ка­тушкой 4 создавалось дополнительное магнитное поле, составляющее у сре­за катода 0,25 Тл. Удвоение поля в источнике вследствие замагниченности плазмы обеспечивало удвоение площади сечения плазменного столба в зоне нагрева. Диаметр плазменного столба в области однородного поля составлял 5-6 см. В экспериментах применялись четырёхфазные волновая и полуволновая антенны (L = λ и L = λ /2) длиной 65 см с обмоткой диаметром 20 см. Антенна изготавливалась из медных трубок и имела водяное охлаждение. Амплитуда тока в антенне Ia ≤ 150 А, амплитуда создаваемого ею электрического поля Еφ,r ≤ 0,5 В/см, диапазон частот возбуждаемых колебаний 300-660 кГц. Детализируя приведённые в раз­деле 3.2.2 параметры плазмы, создаваемой источником, следует сказать, что поперечная и продольная энергии ионов лития различаются примерно в два раза, их средние величины, соответственно, около 5 и 10 эВ. Кон­струкция электростатических анализаторов ионных энергий описана в ра­боте [10].

Селективный нагрев ВЧ-полем ионов 6Li+ и 7Li+ также регистрировался с помощью электростатического анализатора. Так как частота генератора могла устанавливаться только дискретно, настройка на ионно-циклотронный резонанс осуществлялась путём изменения величины магнитного поля. Резонансные кривые, показанные на рис. 7.2.9, были сняты при различных частотах ВЧ-колебаний.

При частоте 300 кГц и величине магнитного поля от 0,1 до 0,13 Тл резонансные линии изотопных ионов лития не разрешаются. При
увеличении магнитного поля от 0,18 до 0,23 Тл наблюдается изотопически селектив­ный нагрев ионов
6Li+ и 7Li+ на частоте 480 кГц. Наконец, в диапазоне 0,23 -г- 0,26 Тл получен изолированный резонансный пик ионов 6Li+, нагретых на частоте 640 кГц. В последнем случае ограниченность величины магнитного поля в установке не позволяла наблюдать резонансный нагрев ионов 7Li+. Максимумы резонансных линий, показанных на рис. 3.2.9, смещены относи­тельно значений резонансного магнитного поля в сторону меньших полей. По знаку такое смещение соответствует эффекту Доплера. Полуширина резо­нансных линий во всех экспериментах в несколько раз превышала величину смещения.

Проводились также измерения энергетического спектра ионов при на­стройке на резонансные значения магнитного поля 6Li+ и 7Li+. Оказалось, что при токе антенны 130 А (f = 480 кГц) ионы приобретают при соответ­ствующем резонансе энергию 50 ÷ 60 эВ, несмотря на различие концентраций в исходной смеси. Это указывает, по-видимому, на возможность дополни­тельного увеличения плотности плазмы. В поле В — 0,25 Тл на частоте f = 640 кГц зарегистрирован нагрев ионов 6Li+ до 80 ÷ 90 эВ.

Был произведён отбор проб обогащенного лития. Эксперименты первона­чально проводились с использованием отборников «закрытого» типа: напыле­ние вещества на коллектор происходило через отверстие диаметром 2-3 мм в корпусе зонда. Вещество отби­ралось в течение нескольких ми­нут в количестве, достаточном для масс-спектрометрического анализа (~0,01 мг). На рис. 3.2.10 пред­ставлена зависимость состава обо­гащенной смеси от магнитного по­ля.

На частоте f = 480 кГц мак­симальное значение концентрации изотопа 6Li — 53% достигается при значении магнитного поля меньшем резонансного, что обусловлено, по-видимому, влиянием нагрева ионов основного изотопа 7Li+. Видно, что настройка на резонанс последнего (В ≈ 0,22 Тл) приводит к утяже­лению смеси: концентрация изотопа 6Li уменьшается до 2,5%. В поле В = 0,25 Тл при частоте нагревающего поля f = 640 кГц было достигну­то обогащение смеси изотопом 6Li до 88%. Такая величина концентрации соответствует степени разделения q = 84. В дальнейшем применялись от­крытые отборники площадью в несколько см2, изготовленные в виде зондов, которые имитировали фрагмент коллекторных пластин. Подбором высоты экрана и задерживающего потенциала в открытых отборниках были получены пробы вещества, не уступающие по степени разделения пробам в закрытых отборниках [47].

Завершающий этап экспериментов на установке связан со сбором нагре­тых ионов по всему сечению плазменного потока, эквивалентный ток ионов в котором около 5А. К настоящему времени опробованы отборные конструк­ции двух видов [48, 32]. Вероятно, конструкция [32] более эффективна: в результате её применения в отдельных экспериментах проводился отбор с коэффициентом извлечения изотопа 6Li около 0,3. Но пока были лишь более рационально выбраны размеры и форма собирающих поверхностей и экранов. Не предусматривалось улавливание ионов, отражённых от поверхности кол­лектора. Не учитывалась возможность распыления осадка нагретыми ионами и т.д. Величина коэффициента извлечения γ определяется, конечно, не толь­ко конструкцией отборника. Серьёзную физическую проблему представляет нагрев в потоке большей части ионов выделяемого изотопа. Эксперименты продолжаются. Некоторые задачи, по-видимому, будут решены, но для реше­ния проблемы отбора в целом требуются эксперименты как в более сильных магнитных полях, так и с плазменными потоками большего сечения, чем в данной установке.

Следует отметить активные усилия японских исследователей по проблеме разделения методом ионного циклотронного резонанса. Исследуются фунда­ментальные процессы, протекающие в замагниченной ленточной плазме при селективном ИЦР-нагреве [49]. Проведены эксперименты по разделению изотопов ли­тия и калия [50, 51]. Предложен альтерна­тивный способ выделения нагретых ионов при ИЦР-нагреве в бегущем поле [52].

Со времени выхода в свет первого из­дания этой книги в развитии ИЦР-метода разделения изотопов произошли заметные события. Во-первых, в Ок-Ридже запущена установка, перевезённая туда в 1990 го­ду из Редондо Бич [8]. Установку арендо­вала Theragenics Corporation [53], извест­ная по выпуску медицинских препаратов, и, в частности, препарата TheraSeed, в ко­тором используется радиоактивный изотоп 103Pd. В реакторе этот изотоп получают из стабильного изотопа 102Pd. Именно получе­ние изотопа 102Pd в количествах, достаточ­ных для удвоения производства TheraSeed, являлось первоначальной целью Theragen­ics Corporation при аренде у DOE плаз­менного метода разделения изотопов (PSP).


Естественно, арендатор готов производить и все пользующиеся спросом про­чие изотопы. Так в 2003-м году получены пробные количества некоторых изотопов гадолиния. Об использовании PSP для предварительного обога­щения питания калютронов [8] не сообщалось. Во-вторых, последние годы отмечены рядом патентных разработок, касающихся практически всех узлов разделительной ИЦР установки [54-56].

Заканчивая обзор, ещё раз обратим внимание на потенциальные возмож­ности ИЦР-метода разделения изотопов. Приводя в разделе 3.2.2 оценку допустимых (по отношению к изотопической селективности нагрева) пара­метров плазмы и рассчитывая на их основе возможную разделительную мощность ИЦР-установки, мы фактически принимали плотность эквивалент­ного ионного тока порядка 100 мА/см2. При коэффициенте извлечения γ = 0,3 ÷ 0,5 ток ионов выделяемого изотопа на коллектор с единицы сечения плазменного потока будет на уровне тока ионов в одном луче электромагнит­ной разделительной установки. Уже показана возможность создания потока плазмы с площадью сечения ~ 1000 см2 [24]. Нет запрета в теории на нагрев ионов по всему сечению таких потоков [19]. Поэтому представляются оправданными дальнейшие усилия, направленные на решение научных и тех­нологических проблем ИЦР-метода разделения изотопов. Мы стремились показать наличие серьёзного задела в решении этих проблем.





оставить комментарий
страница9/16
Дата26.09.2011
Размер3.65 Mb.
ТипУчебное пособие, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы: 1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   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