Исследование источников ионов платино-палладиевой группы для электромагнитной сепарации изотопов

• Автор: Соколов, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 132 с. : ил.

Глава 1. Изотопы тугоплавких металлов, методы получения и основные
применения
1.1. Применение стабильных изотопов тугоплавких металлов
1.2. Основы электромагнитного метода сепарации изотопов
1.3. Метода получения изотопов тугоплавких металлов
Глава 2. Описание экспериментальных установок
2.1. Основные узлы электромагнитной установки
2.1.1. Магнит
2.1.2. Вакуумная огкачка
2.1.3. Электрооборудование
2.1.4. І Іриемник ионов
2.1.5. Источник ионов
2.2. Методика экспериментов
Глава 3. Выбор типа ионного источника
3.1. Методы получения ионов
3.1.1. Поверхностная ионизация
3.1.2. Термоионная эмиссия солей, минералов и искусственных смесей
3.1.3. Ион изация эл ектрон ны м ударом
3.2. Краткий обзор типов ионных источников
3.2.1. Требования, предъявляемые к источникам ионов для электромагнитной сепарации изогонов
3.2.2. Обоснование выбора типа ионного источника
Глава 4. Источники ионов тугоплавких металлов с накаленным катодом и
дуговым разрядом
4.1. Теория источников с накаленным катодом
4.2. Основные трудности при конструировании ионных источников тугоплавких металлов
4.3. Краткий обзор ионных источников тугоплавких металлов, использующих дуговой разряд с накаленным катодом. Особенности и основные проблемы
4.3.1. Низкотемпературные источники
4.3.2. Высокотемпературные источники
4.3.3. Источники ионов тугоплавких элементов на основе катодного распыления
4.4. Выводы. Выбор типа ионного источника для разделения изотопов платинопалладиевой группы
Глава 5. Разработка и экспериментальное исследование источников ионов на основе катодного распыления
5.1. Расчет основных параметров ионного источника на основе катодного распыления
5.2. Коэффициенты распыления
5.3. Ионный источник на основе катодного распыления
«без изолированного электрода»
5.3.1. Конструкция ионного источника без изолированного электрода
5.3.2. ІІроірамма экспериментов
5.3.3. Результаты экспериментов
5.3.4. Анализ результатов эксперимаггов
5.3.5. Выводы. Источник ионов платины «без изолированного» электрода
5.4. Ионный источник на основе катодного распыления с

20 20 24 24

«изолированным электродом»
5.4.1. Конструкция источника ионов с «изолированным электродом»
5.4.2. Профамма экспериментов
5.4.3. Результаты экспериментов
5.4.4. Анализ результатов. Выводы
5.5. Ионный источник с «изолированным электродом-2»
5.5.1. Конструкция источника ионов с «изолированным элекгродом-2»
5.5.2. Эксперименты, результаты, анализ, выводы
5.6. Источники ионов на основе катодного распыления. Выводы
Глава 6. Высокотемпературные источники ионов палладия
6.1. Выбор источника ионов
6.2. Постановка задачи и основные требования к источнику ионов палладия
6.3. Краткий обзор высокотемпературных источников ионов палладия
созданных в РНЦ «Курчатовский Институт»
6.4. Высокотемпературный источник ионов палладия j08
с нагревом ГРК излучением
6.4.1. Конструкция источника ионов палладия с нагревом ГРК ихтучением
6.4.2. Эксперименты, результаты, анализ
6.4.3. Выводы
6.5. Высокотемпературный источник ионов палладия с комбинированным
нагревом ГРК
6.5.1. Конструкция источник ионов палладия с комбинированным нагревом ГРК
6.5.2. Эксперимента, результаты, анализ
6.5.3. Выводы
Заключение
Список литературы

Диссертация посвящена разработке и экспериментальному исследованию источников ионов для электромагнитной сепарации изотопов элементов с низкой упругостью паров при доступных (до 1000 °С) температурах.
Большой интерес на рынке стабильных изотопов к изотопам многих тугоплавких металлов, особенно, платино-палладиевой группы определил необходимость решения важной научно-технической задачи - получения изотопов платины, палладия и др. в достаточном количестве и требуемого обогащения. Задача эффективного разделения изотопов другими известными методами разделения изотопов по разным причинам успешно не решена, а в рамках электромагнитного метода разделения изотопов требует создания работоспособных и эффективных источников ионов тугоплавких металлов.
Процесс электромагнитной сепарации изотопов предъявляет определенные требования к источникам ионов. С учетом этих требований, можно показать, что источники, использующие дуговой разряд с накаленным катодом, наиболее пригодны для процесса электромагнитной сепарации изотопов.
Важнейшей проблемой при разработке источников ионов тугоплавких элементов является создание каким-либо образом необходимого давления паров рабочего вещества в разрядной камере. С учетом этого, источники ионов с накаленным катодом и дуговым разрядом, предназначенные для электромагнитной сепарации изотопов, можно разделить на три группы. Это низкотемпературные ионные источники с легкоиспаряемым рабочим веществом, содержащим нужный тугоплавкий элемент, высокотемпературные и источники, основанные на других физических принципах подачи ионизуемого вещества в разряд, в том числе - на основе катодного распыления. В диссертации рассмотрены две последние группы ионных источников.
Были разработаны и исследованы источники ионов палладия и платины. При этом использовался избирательный подход при выборе типа ионного источника. Рабочая температура газоразрядного узла источника ионов палладия должна достигать 1450 °С, поэтому источник палладия был создан как высокотемпературный источник. Для высокотемпературного источника ионов платины температура стенок газоразрядной камеры потребовалась бы свыше 1850 °С. Равномерный нагрев газоразрядного узла ионного источника до такой температуры представляет серьезную проблему, поэтому источник ионов платины был выполнен как источник третьего типа — источник на основе катодного распыления. В диссертации рассмотрены также и перспективы высокотемпературного источника ионов платины.
При разработке источников ионов платины на основе катодного распыления были созданы три различных варианта. Каждый вариант источника ионов на основе катодного распыления, которые в работе получили названия: ионный источник «без изолированного электрода», источник с «изолированным электродом» и ионный источник с «изолированным электродом - 2» предусматривает совершенствование отдельных характеристик ионного источника (плотности ионного тока, коэффициента использования рабочего вещества, ресурса) и определение его эффективности с точки зрения накопленных миллиампер-часов (количества изотопа).
В диссертации представлены также два варианта высокотемпературных приборов. Это ионные источники палладия, которые получили следующие названия: «высокотемпературный источник ионов палладия с нагревом ГРК излучением» и «высокотемпературный источник ионов палладия с комбинированным нагревом ГРК». При рассмотрении второго варианта высокотемпературного источника обсуждается возможность применения его для разделения изотопов Pt и Gd, а также других технологических задач.

находящийся внутри разрядной цилиндрической камеры. Для экстракции ионов служит щель крышки ГРК.
Авторы [60] вводят такие характеристики источника ионов как: а - доля ионов металла в пучке.

а~ТТГ' (4Л6)
1 м ^ 1С,
где 1м- ток ионов металла в полном ионном токе из источника; 1с. - ток ионов газа в общем ионном токе из источника.
Величина 7] названа в работе эффективностью ионизации атомов металла:
1.03-10"5 Да/,
т?= > (4Л?)
где А - атомный вес элемента (г); I, - полный ионный ток (А); 8 - величина, характеризующая потерю атомов распыленного вещества на стенках разрядной камеры за секунду (г/с).
В табл. 4.5 приведены результаты экспериментов с источником [60] на основе катодного распыления:
Таблица 4
Ионный ток измерялся на расстоянии 80 см от оптики источника
Размеры щели крышки ионного источника: 2x50 мм
Средняя энергия ионов: 20+30 кВ
Продольное магнитное поле у источника: 200+400 гаусс
Вспомогательный газ: Аг
Ионный ток на изолированный электрод: 1.5 А
Элемент Си р<а Рг Мо
//, мА 15+20 12+20 15+20
С7 0.5 0.6+0.7 0.5+0.75 -
Г)(%) - 10 8
Подача газа, мг/час 100 200 200
Полная энергия, вложенная в источнике, Вт 600 1200 1200
Важно обсудить результаты, полученные в [60]. Прежде всего отметим, что плотность тока ионов металла довольно высока: площадь щели 8щ= 1 см2, тогда15+20 мА/см2. Однако этот неплохой результат получен при малых значениях ст, что фактически означает, что доля ионов платины или палладия в пучке не более 5+7 %. Таким образом, достигнутая плотность тока ионов металла в источнике [60] получена не за счет повышения коэффициента распыления, а увеличением числа соударений ионов газа с распыляемой поверхностью, т.е. за счет повышения концентрации атомов газа