Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Во Ньы Зан ПЛАЗМООПТИЧЕСКИЕ МАСС-СЕПАРАТОРЫ:
МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ, ДИАГНОСТИКА 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Иркутск - 2012
Работа выполнена на кафедре радиоэлектроники и телекоммуникационных систем ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Строкин Николай Александрович
Официальные оппоненты: Паперный Виктор Львович доктор физико-математических наук, профессор, Иркутский государственный университет, заведующий кафедрой;
Смирнов Владимир Александрович кандидат физико-математических наук, Институт ядерного синтеза НИЦ Курчатовский институт, старший научный сотрудник.
Ведущая организация: Институт общей физики РАН
Защита состоится л13 июня 2012 г. в 15.15 на заседании диссертационного совета Д212.073.09 при ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, д. 83, корпус К, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Иркутский государственный технический университет.
Автореферат разослан л апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент: Ченский Александр Геннадьевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Сегодняшние и будущие потребности человеческой деятельности ставят перед исследователями задачу нахождения и промышленного использования высокопроизводительного способа выделения ядерно-чистых веществ, изотопов. В настоящее время наиболее актуальным является разделение отработанного (облученного) ядерного топлива (ОЯТ). Актуальность проблемы ОЯТ состоит в недопущении повышения уровня радиации, повторном использовании его радиоактивной части. Переработка ОЯТ позволяет сохранить до 30% естественного урана. Из ОЯТ можно также выделять препараты стронция, цезия, циркония, ниобия, рутения, иттрия для изготовления источников ионизирующего излучения, широко применяемых в промышленности и медицине.
Ежегодный объем химической переработки ОЯТ составляет около 50тонн, в то время как один легко-водный реактор мощностью 1000 МВт производит ежегодно около 25 тонн ОЯТ, а установленная мощность на январь 2010 г. составляла 370394 МВт. Основное количество ОЯТ, таким образом, помещают в хранилища без переработки. Причина - высокая стоимость и, следовательно, нерентабельность химического разделения ОЯТ. Разделение ОЯТ, например, с трех бывших ядерных производств США (Ханфорд, Саванна-Ривер, Айдахская национальная лаборатория; 379 тысяч кубометров ОЯТ) при использовании существующих технологий планируется закончить к 2028 году; стоить это может примерно 200 миллиардов долларов. Стоимость химической переработки ОЯТ, переработки РАО и затраты на хранение ОЯТ составляют около 29,1% общих затрат ядерного топливного цикла.
Альтернативой химической технологии могут стать плазменные методы сепарации вещества и установки для их реализации - магнитоплазменные и плазмооптические масс-сепараторы. К настоящему, времени в той или иной степени, среди плазменных методов развиты разделение изотопов в плазме с помощью селективного ионно-циклотронного нагрева, плазменные центрифуги, разделение изотопов в положительном столбе газового разряда и в пучково-плазменном разряде. Однако все экспериментально разрабатываемые методы либо малопроизводительны, либо очень грубы, т.е. не позволяют разделять ионы с близкими массами, разделять сложные вещества на группы элементов, а предназначены для выделения, обычно, целевого наиболее тяжелого элемента. Остальные собираются на коллекторы в виде смеси элементов (лотвала).
В соответствии с вышесказанным, разработка нового высокопроизводительного плазменного метода получения ядерно-чистых веществ, развитие нового направления в технологии плазменной масс-сепарации являются актуальными задачами.
Целью работы является доказательство возможности реализации плазмооптической универсальной высокопроизводительной масс-сепарации потока плазмы из плазменного ускорителя на составляющие его компоненты изотопы, элементы, группы элементов в стационарном электромагнитном поле.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) исследование разделения ионов в найденной для осуществления масссепарации конфигурации электромагнитных полей;
2) разработка необходимых средств диагностики;
3) получение данных для конструирования опытно-промышленного электромагнитного плазмооптического масс-сепаратора.
Методы исследования заключались в применении теоретических исследований и численного моделирования.
Объектом исследований являются физические процессы при селекции целевых ионов из плазменного состояния и методы разработки и конструирования плазмооптических масс-сепараторов.
Предмет исследований - теоретическое и численное моделирование траекторий движения ионов различных масс в электромагнитных полях.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1) найдено новое решение для масс-сепарации смеси элементов, изотопов на три целевые составляющие;
2) впервые показано, что в плазмооптическом масс-сепараторе возможно выделение группы трансурановых элементов, не загрязненных многозарядными ионами соседних элементов;
3) найдено новое решение для реализации панорамной сепарации ионов в плазмооптических (ПОМС) масс-сепараторах ПОМС-Е;
4) разработаны новые совмещенные энерго-масс-анализаторы: гибридный, являющийся последовательной комбинацией энергоанализатора Юза-Рожанского и фильтра скоростей Вина с наложенными секторными однородным магнитным и радиальным электрическим полями, и прибор, который образован совмещением цилиндрического дефлектора и секторного фильтра Вина с однородным электрическим и радиальным магнитным полями.
Практическая значимость работы. Результаты выполненных работ применяются для реализации прикладной задачи - проектирования высокопроизводительной опытно-промышленной установки для разделения изотопов и получения ядерно-чистых веществ. Результаты работы также использованы при выполнении проектов №2.1.1/4222 и №2.1.1/11412 Разработка физических основ плазмооптической масс-сепарации для разделения изотопов и получения высокочистых веществ в рамках Аналитической ведомственной целевой программы Развитие научного потенциала высшей школы. Некоторые результаты работы будут использованы в образовательном процессе Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета при проведении лабораторных и практических работ по дисциплинам Вакуумная и плазменная электроника, Электрофизические технологии, Автоматизации установок и измерений.
ичный вклад. Основные результаты диссертации, опубликованы в работах [1-12] и являются оригинальными. Теоретические расчеты проводились автором под руководством соавторов работ. Численные эксперименты и расчеты проводились лично автором в полном объеме: определение методов и средств решения задач, непосредственный счет и анализ результатов. Автор принимал непосредственное участие в подготовке и написании статей и докладов.
Апробация полученных результатов. Материалы диссертационной работы докладывались на XXXVIII, XXXIX Международных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (г. Звенигород, Московской области в 2011 и 2012 годах), на IX, X Межвузовских научнотехнических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Современные проблемы радиоэлектроники и связи (г. Иркутск, ИрГТУ, 2010 и 2011 годы), а также на научных семинарах в Национальном исследовательском Иркутском государственном техническом университете.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ, из них 9 [1-9] в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа представлена на 118 страницах машинописного текста, включает 52 рисунков, 2 таблицы. Библиографический список включает 70 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы и обоснована ее актуальность, на основании чего сформулированы цель и задачи исследований, определена научная новизна и практическая значимость выполненных исследований.
Раскрыто основное содержание данной диссертационной работы.
В первой главе [1,3,5,6,8,9,11,12] изложены результаты разработки физических основ плазмооптической масс-сепарации для разделения изотопов и получения высокочистых веществ и приведены данные по двум новым вариантам построения плазмооптических масс-сепараторов, предложены варианты их применения при утилизации отработанного ядерного топлива и доказана возможность панорамной масс-сепарации немоноэнергетичных многозарядных ионов в ПОМС.
В разделе 1.1 рассмотрены существующие и проектируемые магнитоплазменные сепараторы. Приведен анализ преимуществ и недостатков таких сепараторов, показывающий, что все экспериментально разрабатываемые плазменные методы либо малопроизводительны из-за ограничения ионного тока собственным объемным зарядом, либо очень грубы, т.е. не позволяют разделять ионы с близкими массами, а предназначены для выделения, обычно, одного целевого наиболее тяжелого элемента, исходя из чего, обоснована необходимость поиска новых более эффективных и производительных способов магнитоплазменной масссепарации.
В разделе 1.2 обоснован выбор для решения задачи принципиальной схемы плазмооптического электромагнитного масс-сепаратора А.И. Морозова ПОМСЕ, определен путь совершенствования ПОМС-Е и приведены результаты теоретического расчета и численного моделирования процесса разделения ионов в новом трехкомпонентном плазмооптическом масс-сепараторе ПОМС-Е-3.
Метод масс-сепарации (ПОМС-Е) включает получение квазинейтрального аксиально-симметричного потока плазмы с помощью плазменного ускорителя, транспортировку потока через азимутатор, в котором в поперечном радиальном магнитном поле ионы получают импульс в азимутальном направлении и разделяются по массам, и перенос потока плазмы (ионов) через сепарирующий объем.
Сепарирующий объем представляет собой цилиндрический конденсатор, фокусировка ионов в котором имеет место при их повороте по азимуту на угол f = /20,5.
При этом между пластинами конденсатора, разнесенными на расстояние R, должно быть создано стационарное радиальное электрическое поле с потенциалом = E0Rln(r/R), что возможно, когда сепарирующий объем помещается в область однородного постоянного магнитного поля, замагничивающего электроны, но практически не влияющего на динамику ионов. Разделенные ионы собираются на два цилиндрических приемника-электрода и кольцевой торцевой приемник ионов, расположенные в расчетных по длине и радиусу сепарирующего объема положениях.
Одним из принципиальных условий достижения в ПОМС-Е высокого разрешения по массам является выполнение требования малого энергетического разброса ионов на входе в сепарирующее пространство. Однако стационарные плазменные источники с замкнутым дрейфом электронов (плазменные ускорители), которые используются в ПОМС в качестве источников ионов, имеют разброс энергий частиц в направлении ускорения, сравнимый с энергией направленного движения ионного потока. В связи с этим, ПОМС-Е практически невозможно использовать для разделения ионов реального плазменного потока, например, ОЯТ.
Поскольку для отработанного ядерного топлива существуют три пика в распределении элементов по массам с наиболее вероятными массами MI = 95, MII = 139 и MIII = 239, в работе предложен для ОЯТ трехкомпонентный плазмооптический масс-сепаратор, названный ПОМС-Е-3, в котором ионы первого и третьего пиков распределения, содержащие ионы массами МI и МIII, принимаются, соответственно, на цилиндрические электроды-приемники радиусами r2 и r1, а ионы центрального пика, включающие ионы массой МII, собираются на торцевом кольцевом приемнике, расположенном между цилиндрами (рис. 1).
Рис. 1. Плазмооптический масс-сепаратор ПОМС-Е-3: 1 - блок фазовых превращений;
2 - азимутатор; 3 - катушки электромагнитов, 4 - полюс азимутатора; 5 - газораспределитель с буферным объемом; 6 - анод; 7 - катод (электронная пушка сопровождения); 8 - система создания продольного магнитного поля; 9, 11 - система создания радиального электрического поля в сепарирующем объеме; 9-11 - приемники разделенных элементов пучка Масс-сепаратор ПОМС-Е-3 может успешно применяться в многоступенчатом режиме, когда каждое последующее разделение осуществляется для изотопов, еще оставшихся в лотвале. Кроме того, ПОМС-Е-3 может использоваться как масс-сепаратор первой ступени переработки-обогащения основного количества исходного вещества для классического электромагнитного вакуумного ионно-пучкового масссепаратора.
В сепарирующем пространстве ПОМС-Е-3 траектория иона определяется совокупным воздействием противоположно направленных сил - со стороны радиального электрического поля и центробежной силы, определяемой радиальным магнитным полем азимутатора. Движение ионов изотопов или ионов химических элементов массой M с координатами r = R (центральная - равновесная траектория), = z = 0 в цилиндрической геометрии (r, , z) описывается следующими уравнениями:
( ) ; (1) ( ) ; (2), (3) где Er(r) = ЦE0R/r радиальное электрическое поле; E0 = Er(R) = ; - начальная азимутальная скорость ионов центральной массы M0 после азимутатора. Система уравнений (1-3) приводит к уравнению для радиального отклонения, которое в безразмерных переменных = r/R, = vz0t/R, = M0/M, имеет вид:
, (4) где vz0 начальная продольная скорость ионов центральной массы M0 после азимутатора.
В одночастичном приближении, решением уравнения (4) будет выражение для радиальной составляющей траектории:
( ) ( ), (5) где = 1;.
Из решения (5) следует, что фокусировка ионов имеет место в момент и фокусы частиц с различной массой смещаются по радиусу на величину при разрешении по массам, равном Более точное решение системы уравнений (1-3) для траекторий движения ионов, которое использовалось при проектировании макета масс-сепаратора ПОМС-Е-3, получено численным методом Рунге-Кутта 4-5 порядка точности в пакете программы MATLAB. Примеры расчетов траекторий ионов ОЯТ для различных масс приведен на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Траектории движения ионов с массами 85, 139, 240 а.е.м., углом расходимости плазменного потока = 0,в сепараторе ПОМС-Е-3;
моноэнергетичный пучок Сепаратор работает следующим образом.
В блоке фазовых превращений 1 (рис. 1) ОЯТ испаряется при ионно-плазменном воздействии и в виде атомарного потока подается в плазменный ускоритель, где атомы ионизуются. На выходе плазменного ускорителя формируется поток многокомпонентной плазмы, который попадает в азимутатор 2, совмещенный (или выполненный раздельно) с катодом плазменного ускорителя, в котором ионы потока плазмы ОЯТ приобретают азимутальную скорость, неодинаковую для ионов разных масс. После азимутатора поток плазмы попадает в сепарирующий объем, образованный системой создания продольного магнитного поля 8, системой создания радиального электрического поля - электроды 9 и 11 и приемниками разделенных элементов ОЯТ 9, 10 и 11. В сепарирующем объеме происходит пространственное разделение ионов ОЯТ на 3 группы: MI в диапазоне массовых чисел от 85 до 106, MII - 134Е155, MIII - 235Е244, которые попадают, соответственно, на два цилиндрических приемника радиусами r1 и r2 и торцевой кольцевой приемник, расположенный непосредственно за цилиндрическими приемниками.
Рис. 3. Траектории движения пучка ионов с массами 85, 139, 2а.е.м. для трех углов расходимости плазменного потока = 00,в масс-сепараторе ПОМС-Е-3;
моноэнергетичный пучок В разделе 1.3 приведены результаты теоретического расчета и численного моделирования процесса разделения ионов в плазмооптическом лцилиндрическом сепараторе Вина ПОМС-ЦВ.
Если, оставаясь в рамках задачи сепарации ионов из кольцевого плазменного потока, отказаться от азимутатора как сложного элемента установки, но сохранить сепарирующий объем с радиальным электрическим полем, то необходимо найти, взамен центробежной, другую противодействующую электрическому полю радиальную силу. Такой силой для плазменного потока, движущегося вдоль оси Z, может стать сила Лоренца, которая появится в сепарирующем объеме при создании в нем азимутального магнитного поля, генерируемого током, протекающего вдоль оси Z сепаратора.
ПОМС-ЦВ (рис. 4) содержит плазменный ускоритель 1, который может выполняться по схеме как ускорителя с анодным слоем, так и стационарного плазменного двигателя; внешний цилиндрический приемник ионов 2; внутренний цилиндрический приемник ионов 3; торцевой кольцевой приемник ионов 4; элекЦ тронную пушку сопровождения 5 (символ е) и блок фазовых превращений (на рис. 4 не показан), переводящий твердое сложного состава вещество, например ОЯТ, в газообразное состояние. На рис. 4 также приведены обозначения для радиального электрического поля, создаваемого электродами 2, 3 и набором, расположенных на торцах, кольцевых электродов, азимутального и продольного магнитного полей.
Рис.4. Схематичное изображение масс-сепаратора ПОМС-ЦВ с обозначением анализирующих полей и геометрических элементов, необходимых при расчете устройства Движение ионов массой M из точки с координатами r = R, = z = 0 в заданных радиальном электрическом Er(r) = ЦER/r, где E = Er(R), и азимутальном магнитном B(r) = ЦB0R/r, где B0 = Br(R), полях ПОМС-ЦВ в правовинтовой цилиндрической системе координат описывается следующими уравнениями:
Md2r/dt2 = Mr(d/dt)2 - eRE/r + eRB0(dz/dt)/(cr) eBz0r(d/dt)/c, (6) Md(r2d/dt)/dt = erBz0(dr/dt)/c, (7) Md2z/dt2 = Ц[edr/(dt)]RB/(cr). (8) В одночастичном приближении, решение системы уравнений (6-8) для иона массой М будет таким:
( ) ( ), (9) где = r/R 1,,, vd - скорость электрического дрейфа центральной массы M0. Для иона центральной массы М0 с начальной ради( ) альной скоростью решение системы уравнений (6-8) имеет вид:
( ). (10) Результаты расчета траекторий ионов численным методом (Рунге-Кутта 4-порядка точности в среде MATLAB) при = 1 приведен на рис. 5-6.
Рис. 5. Траектории движения ионов с массами 85, 139 и 2а.е.м., углом расходимости плазменного потока = 0,05 для моноэнергетичного пучка Рис. 6. Траектории движения ионов с массами 85, 139 и 240 а.е.м., тремя углами расходимости плазменного потока = 00,1 для моноэнергетичного пучка Сепаратор ПОМСЦВ работает следующим образом. В плазменном ускорителе создается квазинейтральный многокомпонентный, соответствующий составу, например, ОЯТ, кольцевой поток плазмы. Из ускорителя поток попадает в сепарирующий объем, в котором созданы скрещенные постоянные во времени поля, - радиальное электрическое Er и азимутальное аксиально-симметричное магнитное B. В комбинации созданных электромагнитных полей ионы центральной массы M0, имеющие скорости равные дрейфовой скорости vd, проходят на торцевой приемник ионов 4; другие ионы разделяются в соответствии со своими массами и поступают, соответственно, на приемники 2 и 3 (см. рис. 4). Нарушение нейтральности плазмы при разделении ионов компенсируется лэлектронами сопровождения электронной пушки.
В разделе 1.4 представлены результаты расчетов траекторий движения ионов в плазмооптических масс-сепараторах ПОМС-Е-3 и ПОМС-ЦВ в случае немоноэнергетичного пучка ионов различных масс, содержащих не только однократно ионизованные частицы. В ОЯТ, наряду с легко ионизуемыми атомами, содержатся атомы, имеющие достаточно низкий потенциал второй ионизации.
Например, для Ba он составляет 10,001 эВ, La 11,43 эВ, Sr 11,027 эВ, Ce 12,эВ, Y 12,23 эВ, что сравнимо с потенциалами первой ионизации для Xe (12,эВ), Te (9,009 эВ), I (10,451 эВ). Сделана оценка степени влияния ионов с зарядом больше единицы на качество сепарации ОЯТ.
В ПОМС-Е-3 движение многозарядных ионов описывается системой уравнений:
( ), (11) ( ), (12), (13) где Z - заряд ионов.
Если обозначить M' = M/Z, то решение системы (11-13) будет соответствовать траектории движения однозарядных ионов массами M' (см. раздел 1.2); траектории движения однозарядных ионов массы M и ионов массы M' = M/Z с зарядом Z совпадают.
Условие немоноэнергетичности потока разделяемых ионов не меняет уравнения движения, но меняет начальные скорости ионов, и, соответственно, начальные условия задачи. Результаты расчетов для смеси ионов ОЯТ с наиболее вероятными массами 85, 139 и 240 показаны на рис. 7.
Рис. 7. Траектории движения многозарядных ионов немоноэнергичного пучка:
85;e - траектория однозарядного иона массой М = 85 (рубидий), 85;2e - двухзарядный рубидий; 139;e - однозарядный ион массой М = 139 (лантан);
139;2e - двухзарядный ион лантана; 240;e - однозарядный ион массой М = 240 (уран);
240;2e - двухзарядный уран Расчеты траекторий ионов ОЯТ с учетом реальных условий на энергетический разброс и многозарядность показывают, что с помощью ПОМС-Е-3 можно разделять потоки немоноэнергетичных ионов с разными зарядами. При этом, например, трансурановые элементы (самые тяжелые в ОЯТ), приходящие на внутренний приемник, не смешиваются с какими-либо другими ионами, в то время как минорные элементы ОЯТ, приходящие на торцевой и внешний цилиндрический приемник, загрязняются более тяжелыми элементами с низкими потенциалами кратной ионизации.
В случае ПОМС-ЦВ, движение многозарядных ионов немоноэнергичного пучка описывается уравнениями:
Md2r/dt2 = Mr(d/dt)2 - ZeRE0/r + ZeRB0(dz/dt)/(cr) ZeBz0r(d/dt)/c, (14) Md(r2d/dt)/dt = ZerBz0(dr/dt)/c, (15) Md2z/dt2 = Ц[Zedr/(dt)]RB0/(cr). (16) Обозначим начальную скорость иона вдоль оси Z через vz0. Пусть для иона центральной массы M0 скорость vz0 = vd = cE0/B0, где vd - скорость электрического дрейфа. Такой ион будет двигаться строго прямолинейно вдоль оси Z. Если ввести безразмерные функции = r/R, = z/R и переменную = vdt/R, то уравнения (1416) можно свести к уравнению для радиального отклонения следующего вида:
( ) ( ) ( ), (17) где = eB0R/(M0cvd), = M0/M, = - также безразмерные параметры.
Результаты расчета (17) численным методом показаны на рис.Рис. 8. Крайние траектории движения немоноэнергетичных одно-, двухзарядных ионов наиболее вероятных масс ОЯТ;
= 0,05; = 0,01;
= Из анализа приведенных на рис. 8 траекторий следует, что сепаратор ПОМС-ЦВ успешно разделяет смесь ионов, имеющих различные энергии и заряды.
В разделе 1.5 предложены метод и установка, расширяющие функциональные возможности плазменных масс-сепараторов, повышающие их производительность и обеспечивающие панорамное разделение многокомпонентного потока плазмы по массам.
Показано [8,9], что для короткого масс-сепаратора, когда размер LS сепарирующего объема вдоль продольной оси сепаратора Z ограничен, при разделении смеси веществ, имеющих массы, близкие к массе M0 центрального иона, панорамную масс-сепарацию осуществить можно при ограничении на энергетический разброс ионов, где n - число пар элементов (изотопов) вблизи M0. Полученное ограничение на разброс по энергиям достаточно слабое. А для длинного сепаратора, когда на его длину ограничений нет, можно осуществить панорамную сепарацию и для немоноэнергетичного плазменного потока с любым набором энергий от минимальных энергий, проходящих через азимутатор, до Wmax.
Рис. 9. Траектории ионов смеси из 9 компонентов в сепарирующем объеме: 1-8 - цилиндрические, 9 - кольцевой приемники ионов следующих масс:
1 - М0/М = 0,8; 2 - 0,85; 3 - 0,9; 4 - 0,95; 5 - 1,05; 6 - 1,1; 7 - 1,15; 8 - 1,2; 9 - 1.
Ионы имеют скорости в диапазоне: для приемника 1 - Vzmax 1/3Vzmax;
2 Vzmax 3/5Vzmax; 3 - Vzmax 5/7Vzmax; 4 - Vzmax 7/9Vzmax; 5 - Vzmax 7/9Vzmax;
6 - Vzmax 5/7Vzmax; 7 - Vzmax 3/5Vzmax; 8 - Vzmax 1/3Vzmax; 9 - Vzmax ; VА0 /V0 = 0,На рис. 9 приведены траектории девяти ионов в половине аксиально симметричного сепарирующего объема. Четыре иона имеют массы большие М0 - приходят на плавающие (имеющие плавающий потенциал) приемники 1-4, а 4 - меньшие М0 (приходят на приемники 8-5); на приемник 9 приходят ионы центральной массы М0; при этом приемники не мешают друг другу.
Собирающими поверхностями у приемников являются как внутренние (приемники 5-9), так и внешние (1-4) стороны цилиндров, что существенно расширяет возможности панорамной масс-сепарации.
Во второй главе [1,2,4,7,10] изложены результаты разработки приборов диагностики ионов по массам и энергиям в процессе разделения сложных смесей:
восьмиканального энерго-масс-анализатора, гибридного энерго-масс-анализатора и цилиндрического дефлектора с наложенными магнитным и электрическим полями. Показаны преимущества данных приборов над существующими устройствами.
В разделе 2.1 приведено описание восьмиканального энерго-массанализатора с аналоговым и цифровым представлениями выходных сигналов, основными составляющими которого являются анализатор по времени пролета и восьмиканальный электростатический энергоанализатор с углом входа анализируемых ионов 45. Устройство включает в себя также формирователь импульса, восьмиканальный блок регистрации, включающий фотоэлектронные умножители, усилители и устройства цифровой обработки сигналов (рис. 10). Диапазон энергий анализируемых ионов - (200-2000) эВ; диапазон масс - (14-131,3) а.е.м. - в качестве модельных (расчетных) газов для первой серии экспериментов по плазмооптической масс-сепарации взяты азот, аргон, ксенон.
Рис 10. Структурная схема восьмиканального энерго-масс-анализатора В разделе 2.2 содержится теоретический анализ и численный расчет гибридного энерго-масс-анализатора. Гибридный анализатор представляет собой последовательно расположенные в единой конструкции энергоанализатор ЮзаРожанского (ЮР) и секторный фильтр Вина (СФВ). В данном методе анализа перед введением заряженных частиц в секторный фильтр Вина осуществляется выделение ионов заданной энергии с помощью энергоанализатора Юза-Рожанского.
В секторном фильтре Вина создаются взаимно-ортогональные неоднородное, изменяющееся обратно пропорционально радиусу, радиальное электрическое поле и однородное магнитное поле, направленное вдоль пластин, создающих электрическое поле. Заряженные частицы в СФВ вводятся в точке фокуса энергоанализатора ЮР, а регистрация ионов производится на детекторе, расположенном в точке фокуса СФВ. В секторном фильтре Вина пластины конденсатора выполнены в виде цилиндрических секторов, а радиус оптической оси СФВ сделан равным радиусу оптической оси энергоанализатора ЮР. Реализуемая таким прибором новая функция, заключающаяся в его способности работать с немоноэнергетичными пучками заряженных частиц, позволяет рассматривать его в новом качестве - гибридного энерго-масс-анализатора. Схема гибридного анализатора приведена на рис. 11, где даны также обозначения анализирующих полей и геометрические элементы, необходимые при расчете прибора.
Рис. 11. Схема гибридного масс-анализатора: 1 - входная диафрагма;
2 энергоанализатор Юза-Рожанского;
3 входное окно секторного фильтра Вина; 4 секторный фильтр Вина;
5 - выходное окно; 6 - детектор Гибридный энерго-масс-анализатор работает следующим образом. Во входную диафрагму 1 анализатора (рис. 11) поступает пучок ионов различных масс и энергий. Через энергоанализатор Юза-Рожанского 2, при соответствующей величине напряженности анализирующего электрического поля Er, проходят только ионы заданной энергии, которые пространственно фокусируются в точке фокуса В. Продолжением энергоанализатора ЮР, отделенном от него магнитным экраном 3 (вставкой с малым магнитным сопротивлением), является секторный фильтр Вина 4, входное окно которого 3 находится в точке фокуса В энергоанализатора ЮР. После анализа в скрещенных электрическом и магнитном полях СФВ на детектор проходят лишь ионы, имеющие скорость. При заданной энергоанализатором ЮР энергии эта скорость соответствует иону целевой массы, который и достигает детектора 6.
В разделе 2.3 дано описание цилиндрического дефлектора с наложенными магнитным и электрическим полями совмещенной конструкции, в котором объединены цилиндрический дефлектор и фильтр Вина, свернутый в цилиндр. Реализуемые данным устройством при сравнительно малых габаритах новые функции, включающие его способность работать как в качестве энерго-, так и массанализатора, при работе в режиме масс-анализатора - диагностировать немоноэнергетичные пучки ионов, имеющие начальный угловой разброс по скоростям, позволяет также рассматривать его в новом качестве - цилиндрического дефлектора с наложенными магнитным и электрическим полями.
В данном случае результат достигается тем, что анализ частиц по энергиям и массам ведется в совмещенных радиальном электрическом поле цилиндрического дефлектора с наложенными радиальным магнитным полем и поперечным к ним продольном электрическом полем фильтра Вина. При этом угол поворота анализируемых ионов до фокуса не равен /20,5, как в известном энергоанализаторе ЮР, а определяется условиями фокусировки заряженных частиц под действием новой совокупности трех электромагнитных полей. Фильтр Вина выполнен цилиндрическим. Цилиндрический дефлектор и фильтр Вина расположены так, что магнитные полюса фильтра Вина охватывают цилиндрические пластины дефлектора, а пластины фильтра Вина, создающие электрическое поле, выполнены в виде плоских электродов, размещенных по обе стороны относительно цилиндрического дефлектора и магнитной системы фильтра Вина. Анализатор схематично показан на рис. 12, где также приведены обозначения анализирующих полей и геометрические элементы, необходимые при расчете прибора.
В данном устройстве поток анализируемых ионов с некоторым набором масс, имеющих различные энергии, входит через входную диафрагму 1 (см. рис 12) в точке с координатами r = R при = 0 в область цилиндрического дефлектора с наложенными магнитным и электрическим полями - в зону действия электрических полей: радиального E0 и продольного Ez и магнитного поля В, направленного по радиусу. В отсутствие начального углового разброса ион, имеющий начальную скорость V0, остается на траектории радиусом R, если он имеет энергию W0, задаваемую величиной напряженности радиального электрического поля работает цилиндрический дефлектор. Движение вдоль оси Z (уход из области выходной диафрагмы; непопадание на детектор) исключается совместным действием полей Ez и Br, задающих величину скорости иона, проходящего на детектор, так же, как работает классический фильтр Вина. Ион другой массы будет оставаться на центральной основной траектории радиусом R, если напряженность электрического поля Ez, при фиксированных Е0 и В, выбрана равной.
Неоднородное радиальное магнитное поле Br цилиндрического фильтра Вина генерируется с помощью системы создания магнитного поля 2; неоднородное радиальное электрическое поле Er цилиндрического дефлектора создается с помощью двух цилиндрических электродов 3; однородное электрическое поле Ez цилиндрического фильтра Вина системой электродов 4. В результате цилиндрического дефлектора в выходную диафрагму 5 и на детектор (приемник ионов) попадают ионы заданной массы и энергии.
Рис. 12. Цилиндрический дефлектор с наложенными магнитным и электрическим полями:
1 входная диафрагма, 2 система создания радиального магнитного поля Br, 3 два аксиальносимметричных цилиндрических электрода для создания радиального электрического поля Er, 4 два плоских электрода, предназначенных для создания однородного, направленного вдоль оси цилиндрических электродов (вдоль оси Z), электрического поля Ez, 5 выходная диафрагма, 6 детектор пучка заряженных частиц В третьей главе приведены расчеты методом конечных элементов с помощью программ FEMM магнитных полей в плазмооптическом сепараторе ПОМС-Е-3 с целью их оптимизации.
В разделе 3.1 изложен подход к расчету магнитных полей осесимметричных магнитных систем, когда ток имеет только азимутальную составляющую J.
Уравнение для магнитного потенциала A в данном случае будет иметь следующий вид: ( ( ) ) ( ( ) ). Решив это уравнение, и, зная распределение векторного потенциала по области моделирования, можно найти распределение составляющих вектора магнитной индукции, результирующего значения вектора магнитной индукции и напряженности магнитного поля по формулам: . Далее, по известным из теории поля уравнениям, определяются интегральные характеристики рассчитываемой системы: индуктивность, магнитные потоки и т.д.
В разделе 3.2 дан краткий обзор метода конечных элементов, который в настоящее время получил наибольшее распространение в компьютерных программах расчета магнитных полей.
В разделе 3.3 приводятся результаты расчета магнитного поля осесимметричного плазмооптического масс-сепаратора ПОМС-Е-3 с помощью программы FEMM (Finite Element Method Magnetics), которая позволяет на персональном компьютере создать модель для расчета плоскопараллельного или осесимметричного стационарного и квазистационарного магнитного и стационарного электростатического полей, построить их картины и определить полевые и цепные параметры.
Рассчитываемая магнитная система плазмооптического масс-сепаратора состоит из 2 блоков (рис. 13): плазменного ускорителя (ускоритель с анодным слоем) и сепарирующего объема. Параметры ПОМС-Е-3 рассчитаны для следующего набора масс: криптон, аргон и азот.
Рис. 13. Конструктивная схема магнитной системы ПОМС-Е-3:
1 - катушка для создания магнитного поля в плазменном ускорителе;
2 - боковые катушки сепаратора; 3 - центральная катушка сепаратора;
4 магнитопровод азимутатора Катушка 1 создает магнитное поле внутри плазменного ускорителя; в зазоре магнитопровода - в азимутаторе поле радиальное. Для создания слабого, замагничивающего электроны, но не влияющего на динамику ионов, продольного однородного магнитного поля в сепарируемом объеме используются центральная и две боковые катушки 2.
Суммарное магнитное поле - магнитное поле масс-сепаратора ПОМС-Е-3, рассчитанное с учетом полей боковых и центральной катушек сепарирующего объема и вклада катушки плазменного ускорителя, приведено на рис. 15. Изменение радиальной и продольной компоненты магнитного поля вдоль оси Z при r = 0,09 м (центр зазора плазменного ускорителя) показано на рис. 14.
Рис. 14. Изменение радиальной (а) и продольной (б) компоненты магнитного поля на r = 0,09 м Рис. 15. Магнитное поле установки ПОМС-Е-В разделе 3.4 приведены результаты расчета магнитного поля модифицированных плазменных ускорителей и экспериментальные результаты по измерению спектра ионов (аргон) по энергии для этих ускорителей.
В плазменном ускорителе, как и во всех ионно-плазменных системах, могут развиваться различного типа плазменные неустойчивости. Возникновение неустойчивости ведет к росту потерь энергии и снижению КПД ускорителя. Чтобы стабилизировать колебания, например, обусловленные азимутальной волной ионизации, бегущей в направлении электрического дрейфа электронов, необходимо создать магнитное поле, нарастающее по направлению к срезу ускорителя.
Из рис. 14-16 видно, что это требование в источнике плазмы выполняется.
Рис. 16. Распределение магнитного поля в магнитопроводе, зазоре азимутатора и внутри плазменного ускорителя;
ток катушки электромагнита I = 3 А Для ускорителей с замкнутым дрейфом электронов известно, что при увлечении расхода и снижении магнитного поля в области между катодом и анодом зона ионизации смещается к высоковольтной границе слоя (к аноду), а энергия ионов растет, приближаясь к величине, определяемой разрядным напряжением.
Распределения магнитного поля и спектры ионов по энергии, полученные с помощью энергоанализатора с задерживающим потенциалом, для двух вариантов плазменного ускорителя, отличающихся конфигурацией катода-азимутатора, показаны ниже (рис. 17-20); они подтверждают названные рекомендации.
Рис. 17. Конфигурация и распределения магнитного поля внутри плазменного ускорителя Рис. 18. Распределение ионов по продольным энергиям на выходе плазменного ускорителя (разрядное напряжение 500 В) Рис. 19. Конфигурация и распределения магнитного поля внутри модифицированного плазменного ускорителя Рис. 20. Распределение ионов по продольным энергиям на выходе модифицированного плазменного ускорителя В заключении кратко изложены основные результаты диссертационной работы и определены основные направления дальнейшей деятельности по созданию первого макета плазмооптического масс-сепаратора ПОМС-Е-3.
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 1. Методом плазмооптической масс-сепарации возможно разделение смеси изотопов на три целевые составляющие в одном цикле работы масс-сепаратора.
2. В плазмооптическом масс-сепараторе выделяется группа трансурановых элементов, не загрязненных многозарядными ионами соседних элементов.
3. В плазмооптических масс-сепараторах ПОМС-Е реализуется панорамная сепарация ионов.
4. Совмещение электромагнитных полей в новых комбинациях позволит создать компактные энерго-масс-анализаторы: гибридный, являющийся последовательной комбинацией энергоанализатора Юза-Рожанского и фильтра скоростей Вина с наложенными секторными однородным магнитным и радиальным электрическим полями, и прибор, который образован совмещением цилиндрического дефлектора и секторного фильтра Вина с однородным электрическим и радиальным магнитным полями.
Диссертационная работа выполнялась в процессе реализации проектов №2.1.1/4222, №2.1.1/11412 Разработка физических основ плазмооптической масс-сепарации для разделения изотопов и получения высокочистых веществ в рамках аналитической ведомственной целевой программы Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы), ГЗ №2.1802.2011 Плазмооптический масс-сепаратор для разделения веществ сложного состава и частично поддерживалась Государственным контрактом ГК 16.525.11.5013 Разработка и создание гидроакустической системы поиска и мониторинга газовых гидратов (номер задания ГЗ №2.1805.2011).
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Издания, рекомендованные ВАК РФ 1. Астраханцев Н.В. Плазмооптическая сепарация и диагностика результатов разделения отработанного ядерного топлива / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, Н.А. Строкин // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения. 2010, № 4. С. 310-315.
2. Астраханцев Н.В. Совмещенные цилиндрические масс-анализаторы / Н.В.
Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, Н.А. Строкин // Журнал технической физики, 2011. - Т. 81, вып. 9. - С. 105-112.
3. Астраханцев Н.В. Плазмооптические масс-сепараторы отработанного ядерного топлива / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, Н.А. Строкин // Перспективные материалы, 2011. №10. - С. 80-85.
4. Астраханцев Н.В. Энерго-масс-анализаторы для диагностики процесса разделения отработанного ядерного топлива / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, Н.А. Строкин // Перспективные материалы, 2011. №10. - С. 122-129.
5. Бардаков В.М. Трехкомпонентное плазмооптическое разделение отработанного ядерного топлива / В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.А. Строкин // Известия вузов. Ядерная энергетика, 2011. №2. - С. 123-129.
6. Строкин Н.А. Способ плазмооптической масс-сепарации и устройство для его осуществления / Н.А. Строкин, Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев // Патент RU № 2446489, МПК G21C 19/42, опубликовано 27.03.2012 г.
7. Строкин Н.А. Способ анализа заряженных частиц по энергиям и массам и устройство для его осуществления / Н.А. Строкин, Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев // Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2010132785 от 06 февраля 2012 г.
8. Бардаков В.М. Панорамная плазмооптическая масс-сепарация немоноэнергетичных и многозарядных ионов / В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Н.А. Строкин // Известия ВУЗОВ. Ядерная энергетика. в печати.
9. Бардаков В.М. Способ панорамной плазменной масс-сепарации и устройство панорамной плазменной масс-сепарации (варианты) / В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Н.А. Строкин // Заявка на изобретение. в печати.
Другие издания 10. Асламов И.А. Восьмиканальный энерго-масс-анализатор / И.А. Асламов, Во Ньы Зан, В.Т. Николаенко, А.А. Пинкин // Современные проблемы радиоэлектроники и связи. Материалы IX Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Под ред. А.И Агарышева, Е.М. Фискина. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. - C. 18-22.
11. Астраханцев Н.В. Плазмооптическая масс-сепарация. Развитие метода / Н.В. Астраханцев, В.М. Бардаков, Во Ньы Зан, Г.Н. Кичигин, Н.В. Лебедев, Н.А.
Строкин Тезисы докладов XXXVIII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Г. Звенигород, 14-18 февраля 2011 г. - М.: ЗАО НТЦ ПЛАЗМАИОФАН, 2011. - С. 312.
12. Бардаков В.М., Во Ньы Зан, Строкин Н.А. О панорамной плазмооптической масс-сепарации. Тезисы докладов XXXIX Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Г. Звенигород, 6-10 февраля 2012 г. - М.:
ЗАО НТЦ ПЛАЗМАИОФАН, 2012. - С. 231.
Подписано в печать 12.04.2012. Формат 60 90 /16.
Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,75.
Тираж 100 экз. Зак. 195. Поз. плана 34н.
ицензия ИД № 06506 от 26.12.20Иркутский государственный технический университет 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике