ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 9, с. 864-870
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 537.525
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОСАДКА НА КОЛЛЕКТОРЕ ПРИ РАЗДЕЛЕНИИ ИЗОТОПОВ ЛИТИЯ ПЛАЗМЕННЫМ ИЦР-МЕТОДОМ
© 2014 г. А. П. Бабичев, Н. М. Горшунов, Д. А. Долголенко, Г. Е. Зотин, В. С. Лазько, Ю. А. Муромкин, В. Г. Пашковский, А. Т. Пешков
Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", Москва, Россия e-mail: muromkin_ya@nrcki.ru, babichev_ap@nrcki.ru, gorshunov_nm@nrcki.ru, dolgolenko_da@nrcki.ru, zotin_ge@nrcki.ru, pashkovskiy_vg@nrcki.ru, peshkov_at@nrcki.ru
Поступила в редакцию 21.01.2014 г. Окончательный вариант получен 14.04.2014 г.
Представлены результаты экспериментов, связанных с разделением изотопов в плазме с использованием ионного циклотронного резонанса. Изучался отбор нагретых ионов лития на коллекторную систему с плоским коллектором обогащенного вещества. В экспериментах измерялось распределение плотности осадка и соответствующее распределение изотопного состава по поверхности плоского коллектора. Эксперименты показали, что в отсутствие положительного потенциала на коллекторной пластине плотность осадка неоднородна в направлении, поперечном к внешнему магнитному полю. При наличии задерживающего потенциала (+20 В) неоднородность осадка становилась незначительной. Показано, что асимметрия осаждения не связана с включением вращающегося высокочастотного поля, осуществляющего селективный нагрев ионов выделяемого изотопа. В статье обсуждаются возможные причины неравномерного осаждения лития на коллектор.
БО1: 10.7868/80367292114090017
1. ВВЕДЕНИЕ
Заключительная стадия разделения изотопов методом ионного циклотронного резонансного нагрева (ИЦР-методом) — выделение селективно нагретых ионов из плазменного потока. Естественно, что наряду с нагретыми ионами на коллектор в той или иной мере поступают и холодные ионы. В то же время, на коллектор не поступает часть нагретых ионов.
Эти обстоятельства влияют на обе характеристики процесса ИЦР-разделения — коэффициенты разделения а и извлечения у. Напомним, что первый коэффициент отражает рост концентрации выделяемого изотопа, второй — эффективность его сбора на коллектор (формулы для вычисления коэффициентов приведены в следующей части статьи). Достижимая величина обоих коэффициентов зависит не только от конструкции коллекторной системы (КС), но и от параметров селективного нагрева: разницы температур нагретого и холодного компонентов плазмы, доли нагретых ионов из всего количества ионов выделяемого изотопа. В работе [1] представлены результаты отбора обогащенного лития на коллекторные системы двух видов: цилиндрическую и плоскую. При одинаковых условиях циклотронного нагрева первая коллекторная система позволила получить более высокий коэффициент разделения а, вторая — более высокий коэффициент извлечения у. Следует пояснить, что разни-
ца величин а и у в тех экспериментах еще не свидетельствует о принципиальных преимуществах одной КС перед другой. При правильном выборе размеров, т.е. в соответствии с величинами лар-моровского радиуса ионов и радиуса плазменного потока, обе КС, и плоская, и цилиндрическая, вероятно, дадут продукт одинакового качества с одинаковым коэффициентом извлечения. Но плоская КС нами мало изучена: большинство предыдущих экспериментов выполнено с цилиндрическими КС [2—4].
В данных экспериментах мы продолжили изучение характеристик отбора обогащенного лития на плоскую коллекторную систему. Кроме того, мы предполагали, что параметры осадка позволят установить, вызывает ли вращающееся магнитное поле, используемое для селективного нагрева ионов, вращение плазменного столба как целого.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. В вакуумной камере 1 в постоянном магнитном поле, создаваемом внешними магнитными катушками 8, возбуждался продольный разряд постоянного тока в парах лития между катодом 2 и сетчатым анодом 5 (ТА = 50—100 А, иа = = 20—40 В). Этот разряд являлся источником литиевой плазмы (обычно в разделительных ИЦР-установках в качестве источника плазмы применяется СВЧ-разряд [5]). Анодная сетка изготав-
ливалась из вольфрамовой проволоки диаметром 2 мм с размером ячейки 10 х 10 мм. В области катода внутренней катушкой 4 создавалось дополнительное магнитное поле. Суммарное магнитное поле показано в нижней части рис. 1. Сетчатый анод 5 был постоянно соединен с цилиндрическим вольфрамовым анодом 3 диаметром 5 см. Литий подавался в катод в жидком виде по нагретой трубке с помощью поршневой системы подачи 9 (такую же систему подачи можно, по-видимому, применить в ИЦР-установке при работе с калием и рубидием [6]). В катоде, имевшем подогреватель мощностью 2 кВт, литий испарялся и выходил в разрядный промежуток в виде пара. При подаче лития 3—4 мг/с в промежутке катод-сетка (»25 см) при напряжении около 100 В происходил пробой. Система подачи лития и электрическая цепь источника были полностью изолированы от заземленной вакуумной камеры, питание на них подавалось через разделительные трансформаторы. Таким способом исключались пробои на стенки вакуумной камеры и возможные при этом повреждения системы подачи при утечке литиевого пара.
Разряд с сетчатым анодом в продольном магнитном поле для физических исследований в плазме был, по-видимому, впервые применен в работе Карчевского и др. [7] при исследовании генерации импульсных электронных пучков. Столб плазмы за сеткой оказывается эквипотенциальным. В нем отсутствовал макроскопический ток. Электроны пучка по инерции выходили за сетку, но их поток компенсировался обратным движением остальных электронов [8]. В экспериментах по ИЦР-разделению изотопов применение сетки позволяет производить отбор нагретых ионов из плазмы без помех, создаваемых передачей потенциала электродов плазменного источника по плазменному столбу. Поэтому сетка была применена уже в первых экспериментах по разделению изотопов лития [9].
Первоначальным назначением устройства, создающего поток литиевой плазмы, являлся плазменный двигатель [10]. О вращении плазмы, создаваемой такого типа источником, было известно: в патенте [11] предлагалось использовать ускоритель для разделения изотопов. Небольшой разделительный эффект (а = 1.05—1.1) авторами патента был измерен в литиевой плазме для изотопов лития. Позже, в работе [12], было сообщено, что в потоке литиевой плазмы из ускорителя подобной конструкции коэффициент разделения а достигал нескольких единиц. Коэффициент разделения был оценен только на основе оптических измерений. Поэтому А.И. Карчевский, руководивший в то время исследованиями плазменных центрифуг в ИАЭ, обратился к авторам этой работы с предложением совместно взять пробы лития для масс-спектрометрического ана-
1 2 12 4 3 5
z
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 — вакуумная камера, 2 — катод, 3 — цилиндрический анод, 4 — дополнительная катушка магнитного поля, 5 — анодная сетка, 6 — ВЧ-антенна, 7 — коллекторная система, 8 — основные катушки магнитного поля, 9 — система подачи жидкого лития, 10 — стационарный приемник плазменного потока, 11 — четырехфазный ВЧ-генератор (указаны фазы колебаний), 12 — патрубок для откачки. В нижней части рисунка показана индукция магнитного поля на оси установки.
лиза. Анализ проб не показал высокого разделительного эффекта, коэффициент разделения а оказался, как и в работе [11], на уровне а « 1.1. При этом сама техника получения литиевой плазмы могла оцениваться только положительно. Естественно, что эта техника и была привлечена для экспериментов по ИЦР-разделению изотопов лития [9].
В описываемой установке плазма распространялась из разрядного промежутка за сетку вдоль магнитного поля к противоположному торцу камеры. На участке с однородным магнитным полем длиной 0.8 м (AB/B < 0.01) осуществлялся селективный циклотронный нагрев ионов 6Li+. Вращающееся электрическое поле, ускоряющее ионы, создавалось индукционно четырехзаход-ной винтовой антенной 6 диаметром 0.2 и длиной 0.65 м. Шаг винта проводников совпадал с длиной антенны (одноволновая антенна).
В качестве таких проводников использовались медные трубки прямоугольного сечения 10 х 6 мм и толщиной стенки 1 мм. В каждом заходе использовались четыре параллельных трубки. На конце антенны впаивались трубки в полое медное кольцо: большой диаметр 200 мм, малый — 14 мм. Такое соединение использовалось для водяного охлаждения антенны, которая не заземлялась. На каждое плечо антенны подавался ВЧ-ток амплитудой 50—150 А и сдвигом фазы на п/2 по отношению к предыдущему плечу. Частота ВЧ-тока могла изменяться в пределах 600—700 кГц без изменения параметров согласующих конденсаторов. Был определен kz спектр электромагнитных по-
/ Г \ ' _1 3
М 1 ) ) )
—1
Г
поток плазмы
Рис. 2. Схема коллекторной системы. 1 — экран, 2 — коллекторные пластины с расчерченными зонами отбора обогащенного лития, 3 — держатель коллекторных пластин, 4 — отвальные стаканы. Направления осей координат и потока плазмы показаны стрелками.
лей, создаваемых этой антенной, и измерена их амплитуда [13, 14].
За зоной нагрева располагалась коллекторная система 7. Ее конструкция показана на рис. 2. Коллектор обогащенного лития был изготовлен из двух медных пластин 2 размером 20 х 50 мм, толщиной 4 мм. Пластины в виде крыльев были приварены к водоохлаждаемому медному цилиндру диаметром 16 мм 3. От прямого потока литиевой плазмы пластины и цилиндр были защищены водоохлаждаемым экраном 1, выступавшим на высоту к = 2 мм над собирающими поверхностями коллектора. Напомним, что в работе [1] применялся более сложный коллектор: обогащенный литий собирался на четыре пластины, угол между которыми был равен п/2. Упрощение коллекторной системы было сделано для большей наглядности результатов.
Литий, не попавший на экран и коллектор, собирался на коаксиальных стаканах 4. Этот осадок был обеднен изотопом ^ и являлся отвалом. Экран и приемники отвала были соединены электрически и находились под плавающим потенциалом относительно плазмы. Задерживающий потенциал Уг подавался на коллектор обогащенного лития от
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.