[發明專利]一種同位素電磁分離器用離子源的氣化放電裝置

有效

• 申請號: 201610906968.X
• 申請日: 2016-10-18
• 公開（公告）號: CN106356276B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 任秀艷;曹進文;吳靈美;李公亮
• 申請（專利權）人: 中國原子能科學研究院
• 主分類號: H01J49/10
• 分類號: H01J49/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于同位素電磁分離器技術領域，具體涉及一種同位素電磁分離器用離子源的氣化放電裝置。

背景技術

電磁分離方法在同位素分離領域具有不可或缺的地位，電磁分離法是利用能量相同、質量不同的離子在橫向磁場中旋轉半徑不同實現同位素分離的。同位素電磁分離器就是采用電磁分離方法分離得到同位素的設備。待分離的離子束從同位素電磁分離器的離子源中射出，經同位素電磁分離器中的磁場分離，再被接收裝置接收，完成同位素的分離工作。

電磁分離方法是獲得星載銣鐘所需的高豐度的銣同位素、微型鎳電池核心材料高豐度的62Ni、高精度堿金屬磁力儀核心材料高豐度K等同位素唯一可行的方法,離子源是同位素電磁分離器中的重要部件，用于產生離子束。根據實際應用中流強的大小與離子種類等要求，離子源具有不同的結構。在同位素電磁分離器上我們要求離子束有較強的流強，而且要求元素種類較多。強流離子源往往是等離子體型離子源，通過氣體放電產生高濃度的離子。目前，該類型的離子源有空心陰極離子源、電子回旋共振離子源、Nielsen離子源、Calutron離子源、Freeman離子源等。對于180°同位素電磁分離器，離子源必須放置在磁場中。其中磁力線與離子束引出方向垂直，并且要求能散度低。綜合這些考慮，只有Calutron離子源比較適合180°同位素電磁分離器。一直以來，同位素電磁分離器使用的離子源為Calutron型，早期用于分離鈾235，后用于分離其他同位素。

Calutron型離子源能產生大部分元素的離子，束流大，聚焦好，能在強電磁場、高真空、高溫度、帶電離子轟擊和腐蝕氣體包圍下，可靠長期進行。美國與俄羅斯是電磁同位素分離大國，最早使用電磁分離法分離同位素，因此，他們所使用的電磁分離器型離子源代表了先進的水平。

我們自行設計制造的同位素電磁分離器用離子源在結構上與美國和俄羅斯的離子源也有所不同，本發明中的離子源用于強流離子束的產生。在Calutron離子源中，坩堝和弧放電室是離子源的氣化放電裝置，固態原料在坩堝中被加熱氣化成飽和蒸汽，通過分配板后進入到弧放電室，被電子束電離成等離子狀態并引出形成離子束。

離子源設置在同位素電磁分離器的真空室中，在離子源的工作中，氣化放電裝置的氣密性是非常重要的一個特性。當氣密性不好時，往往會造成很多問題。首先，氣密性差會造成離子源內局部真空度下降，嚴重時可比真空室內低10-100倍。伴隨的現象是出現打火與暗電流。打火現象與暗電流對離子源的性能及束流品質有不可忽視的影響。其次，氣密性的好壞直接影響離子源的流強。Calutron離子源提高流強的辦法主要是增加供氣量使放電更加充分。如果離子源氣密性不好，增加供氣量對提高流強的作用會被大大減弱。再次，氣密性差將大大增加離子源、真空室的污染程度，增加離子源與真空室的清洗頻率，提高成本。并且，離子源的原料貴重，較差的氣密性將造成較大的浪費及相關成本的升高。早期的同位素電磁分離器上，所采用的傳統的坩堝與弧放電室之間通過一個轉接頭連接，如圖10所示。傳統的弧放電室采用的是扣式結構。實踐發現，傳統的坩堝與弧放電室的連接方式以及弧放電室的扣式結構對離子源的氣密性有影響。傳統的坩堝與弧放電室的轉接頭口徑小，而內螺紋口徑大。較小的轉接頭口徑使得供氣有明顯的氣阻，而較大的內螺紋口徑具有較大的漏氣縫隙。傳統的弧放電室(扣式弧室)是兩部分組成，長時間工作下，弧放電室受熱不均勻等問題造成弧放電室膨脹不一，出現縫隙降低離子源的氣密性。這些問題導致了離子源內的暗電流的增加、影響了工作物質的蒸汽密度、浪費了昂貴的離子源原料，同時導致離子源受污染程度上升，清洗頻率增加，增加了使用成本。

針對上述問題，有必要設計氣密性更好的離子源用氣化放電裝置，提高同位素電磁分離器的工作效率。

發明內容

針對早期的同位素電磁分離器的離子源所存在的問題，本發明的目的是提供一種用于離子源的、氣密性好、并能保證離子源(Calutron型)長期穩定運行的氣化放電裝置，實現同位素電磁分離器的同位素的穩定分離，保證同位素的豐度。

為達到以上目的，本發明采用的技術方案是一種同位素電磁分離器用離子源的氣化放電裝置，設置在同位素電磁分離器的離子源上，其中，包括弧放電室及與所述弧放電室后部相連的坩堝，設置在所述弧放電室頂部的陰極和燈絲，所述弧放電室、坩堝直接密封連接。