Разработка и исследования специализированного масс-спектрометра для изотопного анализа урана в газовой фазе

• Автор: Калашников, Владимир Арсеньевич
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Новоуральск
• Количество страниц: 176 с. : ил.

Глава 1. Использование изотопной масс-спектрометрии для аналитического контроля производства обогащенного гексафторида урана
1.1 Система масс-спектрометрического технологического контроля работы газоцентробежного разделительного завода. Основные требования к масс-спектрометрическому оборудованию
1.2 Разработка общих принципов построения специализированных масс-спектрометров для изотопного анализа в ядерном топливном цикле
1.2.1 Концепция блочно-модульного принципа построения масс-спектрометров и конструктивные особенности базовой части

1.2.2 Общие требования к вакуумной системе масс-спектрометров

1.3 Выводы
Глава 2. Исследование эффекта “памяти” масс-спектрометра для изотопного анализа гексафторида урана
2.1 Обзор существующих методов учета и снижения величины эффекта “памяти” масс-спектрометра. Влияние эффекта “памяти” на точность масс-спектрометрических измерений
2.2 Основные составляющие эффекта “памяти”, как следствие физикохимических процессов в системе ввода пробы газового масс-спектрометра
2.3 Особенности системы ввода гексафторида урана, реализованной на масс-спектрометре МАТ-281 (ТермоФинниган МАТ, Германия)
2.4 Разработка системы молекулярного ввода гексафторида урана в источник ионов газового масс-спектрометра
2.4.1 Основные понятия в теории направленных пучков
2.4.2 Определение оптимальных размеров эмиттера молекулярного пучка
2.4.3 Поперечное распределение молекулярного пучка в ионизационной камере масс-спектрометра
2.4.4 Разработка и исследование системы молекулярного ввода гексафторида урана для масс-спектрометра МТИ-350Г
2.4.5 Сравнение метрологических характеристик масс-спектрометров до и после установки системы молекулярного ввода гексафторида урана
2.5 “Память минорных” изотопов урана. Дополнительные требования к
ионно-оптической системе масс-спектрометров
2.6 Выводы
Глава 3. Разработка основных узлов масс-спектрометра для изотопного
анализа гексафторида урана - МТИ-350Г
3.1 Разработка и исследования ионно-оптической схемы массспектрометра
3.2 Организация диспергирующего секторного магнитного поля. Расчет
электромагнита
3.3 Расчет порога изотопической чувствительности
3.4 Разработка источника ионов
3.4.1 Особенности конструкций источников ионов масс-спектрометров типа МИ-1201В и МИ-1201АГ/ИГ (г. Сумы, ПО Электрон, Украина)
3.4.2 Источники ионов на основе модифицированной схемы Нира: приборы MAP-15 (Mass Analytical Products, UK) и VG-5400 (YG Instruments, UK)
3.4.3 Источник ионов типа ИЭ
3.4.4 Источник ионов масс-спектрометра MAT-281 (Finnigan МАТ,
Г ермания)
3.4.5 Разработка источника ионов масс-спектрометра МТИ-350Г
3.5 Разработка приемника ионов и системы регистрации массспектрометра МТИ-350 Г
3.6 Разработка электронных схем масс-спектрометра МТИ-350 Г
3.6.1 Канал питания электромагнита анализатора
3.6.2 Канал регистрации ионного тока
3.6.3 Шинные интерфейсы, используемые для связи масс-спектрометра с ЭВМ
3.7 Разработка системы подготовки и ввода пробы
3.8 Выводы

Глава 4. Метрологическая аттестация и результаты сертификационных ис
пытаний масс-спектрометра МТИ-3 5 ОГ
4.1 Экспериментальные результаты, полученные на опытных образцах
масс-спектрометра МТИ-3 5 ОГ
4.1.1 .Определение разрешающей способности
4.1.2.0пределение изотопического порога чувствительности
4.1.3. Определение порога чувствительности по урану
4.1.4. Определение нестабильности интенсивности сигнала на середине склона пика
4.1.5 Определение нелинейности плоской части вершины пика
4.1.6 Определение времени откачки гексафторида урана
4.1.7 Определение расхода пробы
4.1.8 Полученные технические характеристики
4.2 Оценка метрологических характеристик с помощью стандартных
образцов изотопного состава урана
4.3 Ресурсные испытания промышленных образцов массспектрометра МТИ-350Г
4.3.1 Параметры испытаний
4.3.2 Анализ результатов измерения технических характеристик
4.3.3 Результаты измерений изотопного состава урана с помощью
различных методов анализа
4.3.3.1 Относительный многоколлекторный метод измерений
4.3.3.2 Абсолютный многоколлекторный метод измерений
4.3.3.3 Абсолютный одноколлекторный метод измерений с использованием ВЭУ
4.3.4 Анализ состояния масс-спектрометра МТИ-35ОГ в целом
4.5 Выводы
Заключение
Литература
Приложение А. Результаты определения содержания урана-235 в отборном потоке разделительного каскада

2.4.2 Определение оптимальных размеров эмиттера молекулярного пучка
С целью оптимизации размеров эмиттера молекулярного пучка в ЦЗЛ УЭХК были проведены эксперименты на двух масс-спектрометрах МИ-1201АГМ, оборудованных системами молекулярного ввода пробы [19,21].
Ввод гексафторида урана в источник ионов масс-спектрометров в виде сфокусированного молекулярного пучка осуществлялся с помощью системы, состоящей из эмиттера молекулярного пучка, диафрагмы (коллиматора), и охлажденного медного пальца. Изготовленный нами эмиттер представлял из себя два бруска из нержавеющей немагнитной стали, тщательно притертых друг к другу. В одном из них был прорезан прямоугольный канал с сечением 1x2 мм. Первоначально в канал были уложены поочередно 5 гофрированных и 5 плоских пластин из танталовой фольги толщиной 0,035 мм, которые разбивали весь прямоугольный канал на ~40 строго параллельных каналов с характерным размером ~0,15 мм. Длина эмиттера составляла 50 мм. При этом было исследовано два способа формирования молекулярного пучка ПР6: 1-е помощью 40 каналов длиной 50мм и размером 0,15 мм; 2 -с помощью канала свободного от гофр, имеющего прямоугольное сечение 1x2 мм и длину 50 мм. В таблице 8 приведены параметры течения газа и оптимальная длина каналов, рассчитанная по формуле (2.17). Давление на входе эмиттера было определено способом, изложенным в разделе 2
Таблица 4 - Определение оптимальной длины каналов эмиттера молекулярного пучка
Параметры течения газа Формирование мол. пучка с помощью гофрированных пластин Формирование мол. пучка с помощью прямоугольного канала
Характерный размер а, мм 0,15
Давление Р, мм.рт.ст. (5ч-10)-10'3 (Іч-З)-ІО'3
Длина свободного пробега X, мм І4-2 4ч
Расход газа От, мг/час 0,8-И 1,5ч
Оптимальная длина канала Ь, мм Юч-ЗО 40ч
Результаты, приведенные в таблице 4, показывают, что при формировании молекулярного пучка прямоугольным каналом, длина канала, равная 50 мм, явля-