一种同位素电磁分离器用离子源制造技术

本实用新型专利技术属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种同位素电磁分离器用离子源。包括放置在磁场中，磁场的磁力线方向与离子源中离子束引出方向垂直，包括弧放电室及与弧放电室后部相连的坩埚，设置在坩埚外围的坩埚加热炉筒，设置在弧放电室顶部的阴极和灯丝，设置在弧放电室前部的引出电极，引出电极设有能够引出离子束的引出缝，其中弧放电室、坩埚直接密封连接。传统的同位素电磁分离器用离子源气密性较差，导致了离子源内的暗电流的增加、影响了工作物质的蒸汽密度、浪费了昂贵的离子源原料；采用本实用新型专利技术所提供的离子源，气密性好，减少了暗电流及打火现象，提高了离子源原料的利用率和分离出来的同位素的丰度，延长了电磁分离器的工作时间。

Ion source for isotope electromagnetic separator

The utility model belongs to the technical field of isotope electromagnetic Separators, in particular to an ion source used in an isotope electromagnetic separator. Including placed in a magnetic field, the magnetic field and magnetic force line direction of the ion source ion beam extraction direction vertical, including arc discharge chamber and arc discharge chamber is arranged in the rear connected crucible, crucible furnace crucible is arranged in the outer periphery of the arc discharge chamber at the top of the cathode and filament, arranged in front of the extraction electrode arc discharge chamber that leads to the ion extraction electrode is able to crack the arc discharge chamber, a crucible direct sealing connection. Ion source for air tightness poor traditional electromagnetic isotope separator, resulted in an increase in the dark current, ion source in the influence of the working substance steam density, waste of expensive raw materials by ion source; ion source provided by the utility model, good air tightness, reduces the dark current and arcing phenomenon, improve the abundance the use of isotope ion source material and the isolated rate, prolong the working time of electromagnetic separator.

【技术实现步骤摘要】

本技术属于同位素电磁分离器
，具体涉及一种同位素电磁分离器用离子源。
技术介绍
电磁分离方法在同位素分离领域具有不可或缺的地位，电磁分离法是利用能量相同、质量不同的离子在横向磁场中旋转半径不同实现同位素分离的。同位素电磁分离器就是采用电磁分离方法分离得到同位素的设备。待分离的离子束从同位素电磁分离器的离子源中射出，经同位素电磁分离器中的磁场分离，再被接收装置接收，完成同位素的分离工作。电磁分离方法是获得星载铷钟所需的高丰度的铷同位素、微型镍电池核心材料高丰度的62Ni、高精度碱金属磁力仪核心材料高丰度K等同位素唯一可行的方法,离子源是同位素电磁分离器中的重要部件，用于产生离子束。根据实际应用中流强的大小与离子种类等要求，离子源具有不同的结构。在同位素电磁分离器上我们要求离子束有较强的流强，而且要求元素种类较多。强流离子源往往是等离子体型离子源，通过气体放电产生高浓度的离子。目前，该类型的离子源有空心阴极离子源、电子回旋共振离子源、Nielsen离子源、Calutron离子源、Freeman离子源等。对于180°同位素电磁分离器，离子源必须放置在磁场中。其中磁力线与离子束引出方向垂直，并且要求能散度低。综合这些考虑，只有Calutron离子源比较适合180°同位素电磁分离器。一直以来，同位素电磁分离器使用的离子源为Calutron型，早期用于分离铀235，后用于分离其他同位素。Calutron型离子源能产生大部分元素的离子，束流大，聚焦好，能在强电磁场、高真空、高温度、带电离子轰击和腐蚀气体包围下，可靠长期进行。美国与俄罗斯是电磁同位素分离大国，最早使用电磁分离法分离同位素，因此，他们所使用的电磁分离器型离子源代表了先进的水平。我们自行设计制造的同位素电磁分离器用离子源在结构上与美国和俄罗斯的离子源也有所不同，本技术中的离子源用于强流离子束的产生。在Calutron离子源中，坩埚和弧放电室是离子源的气化放电装置，固态原料在坩埚中被加热气化成饱和蒸汽，通过分配板后进入到弧放电室，被电子束电离成等离子状态并引出形成离子束。在离子源的工作中，气化放电装置的气密性是非常重要的一个特性。当气密性不好时，往往会造成很多问题。首先，气密性差会造成离子源内局部真空度下降，严重时可比真空室内低10-100倍。伴随的现象是出现打火与暗电流。打火现象与暗电流对离子源的性能及束流品质有不可忽视的影响。其次，气密性的好坏直接影响离子源的流强。Calutron离子源提高流强的办法主要是增加供气量使放电更加充分。如果离子源气密性不好，增加供气量对提高流强的作用会被大大减弱。再次，气密性差将大大增加离子源、真空室的污染程度，增加离子源与真空室的清洗频率，提高成本。并且，离子源的原料贵重，较差的气密性将造成较大的浪费及相关成本的升高。早期的同位素电磁分离器上，所采用的传统的坩埚与弧放电室之间通过一个转接头连接，如图17所示。传统的弧放电室采用的是扣式结构。实践发现，传统的坩埚与弧放电室的连接方式以及弧放电室的扣式结构对离子源的气密性有影响。传统的坩埚与弧放电室的转接头口径小，而内螺纹口径大。较小的口径使得供气有明显的气阻，而较大的内螺纹口径具有较大的漏气缝隙。传统的弧放电室(扣式弧室)是两部分组成，长时间工作下，弧放电室受热不均匀等问题造成弧放电室膨胀不一，出现缝隙降低离子源的气密性。这些问题导致了离子源内的暗电流的增加、影响了工作物质的蒸汽密度、浪费了昂贵的离子源原料，同时导致离子源受污染程度上升，清洗频率增加，增加了使用成本。针对上述问题，有必要设计气密性更好的离子源，提高同位素电磁分离器的工作效率。
技术实现思路
针对早期的同位素电磁分离器的离子源所存在的问题，本技术的目的是提供一种气密性好、能够产生强引出束流，并长期稳定运行的离子源(Calutron型)，实现同位素电磁分离器的同位素的稳定分离，保证同位素的丰度。为达到以上目的，本技术采用的技术方案是一种同位素电磁分离器用离子源，放置在磁场中，所述磁场的磁力线方向与所述离子源中离子束引出方向垂直，包括弧放电室及与所述弧放电室后部相连的坩埚，设置在所述坩埚外围的坩埚加热炉筒，设置在所述弧放电室顶部的阴极和灯丝，设置在所述弧放电室前部的引出电极，所述引出电极设有能够引出所述离子束的引出缝，其中所述弧放电室、坩埚直接密封连接。进一步，所述弧放电室包括设置在所述弧放电室后部、通过坩埚接口与所述坩埚连通的蒸汽分配室，设置在所述坩埚接口上的船形板，还包括通过蒸汽分配板与所述蒸汽分配室相隔离的放电室，还包括设置在所述弧放电室前部、与所述放电室连通的所述引出电极，所述放电室顶端设置有电子窗，还包括设置在所述弧放电室外围的弧室加热器，所述阴极靠近所述电子窗，所述电子窗距离所述放电室的边缘为0.5mm，所述阴极包括直热式阴极和间热式阴极两种，所述直热式阴极寿命大于24小时。进一步，所述引出电极为三电极结构，包含从所述放电室向外依次设置的引出缝电极、聚焦电极、接地电极；所述引出缝电极处于正高压，设有第一引出缝；所述聚焦电极处于负高压，设有第二引出缝；所述接地电极处于零电位，设有第三引出缝。更进一步，所述蒸汽分配板通过设置在所述蒸汽分配室与所述放电室之间的分配板插槽安装在所述弧放电室内部；所述引出缝电极设置在引出缝面板上，所述引出缝面板通过设置在所述放电室上的引出缝面板插槽安装在所述放电室上；所述电子窗通过所述放电室顶端的电子窗插槽设置在所述放电室上。进一步，所述引出缝电极上的所述第一引出缝为窄条状，纵向为曲面，曲率半径为2600mm，所述电子窗的边沿到所述第一引出缝的距离为0.5mm。更进一步，所述引出缝电极、聚焦电极、接地电极的极间距离能够调整，所述聚焦电极的聚焦电压能够调整。进一步，在离子源的靠近所述引出电极的头部设有气化放电装置，在离子源中部设有防打火罩，所述防打火罩能够防止所述气化放电装置产生的慢电子对所述离子源中的零部件的轰击。进一步，在所述弧放电室两侧安装PIG板，所述PIG板能够改变所述弧放电室中的电场分布，减少所述弧放电室周围的电子震荡放电；所述PIG板为不锈钢材质。进一步，所述离子源设置在同位素电磁分离器的真空室内；所述坩埚与所述坩埚加热炉筒之间采用陶瓷套筒作为绝缘支撑；所述聚焦电极所处的负高压部分采用引入绝缘和支撑绝缘，所述引入绝缘的引入绝缘子一半在所述弧放电室的真空中，另一半在所述弧放电室外的大气中；所述支撑绝缘用于所述聚焦电极的绝缘支撑，采用多波纹支撑绝缘子；所述引入绝缘子、多波纹支撑绝缘子采用Al2O3材质。进一步，所述弧放电室、坩埚、坩埚加热炉筒、弧室加热器采用高纯石墨或不锈钢制作。本技术的有益效果在于：1.本技术通过对弧放电室与坩埚接口及引出缝的气密性设计，提高气密性，使得暗电流减小(小于10mA左右，传统的弧放电室与坩埚中为20mA左右)，离子源的打火频次下降，引出的离子束流的流强增大，减少了离子源的受污染程度和离子源的清洗频率，节约了宝贵的离子源原料，提高离子源原料的利用率(原料的使用时间提高2％-5％)。采用三电极结构,有利于强流的引出,对于铷同位素,接收束流的流强达到21mA。2.安装PIG板，改变电场分布，减少弧放电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同位素电磁分离器用离子源，放置在磁场中，所述磁场的磁力线方向与所述离子源中离子束引出方向垂直，包括弧放电室(15)及与所述弧放电室(15)后部相连的坩埚(8)，设置在所述坩埚(8)外围的坩埚加热炉筒(10)，设置在所述弧放电室(15)顶部的阴极(5)和灯丝(4)，设置在所述弧放电室(15)前部的引出电极，所述引出电极设有能够引出所述离子束的引出缝，其特征是：所述弧放电室(15)、坩埚(8)直接密封连接。

【技术特征摘要】
1.一种同位素电磁分离器用离子源，放置在磁场中，所述磁场的磁力线方向与所述离子源中离子束引出方向垂直，包括弧放电室(15)及与所述弧放电室(15)后部相连的坩埚(8)，设置在所述坩埚(8)外围的坩埚加热炉筒(10)，设置在所述弧放电室(15)顶部的阴极(5)和灯丝(4)，设置在所述弧放电室(15)前部的引出电极，所述引出电极设有能够引出所述离子束的引出缝，其特征是：所述弧放电室(15)、坩埚(8)直接密封连接。2.如权利要求1所述的同位素电磁分离器用离子源，其特征是：所述弧放电室(15)包括设置在所述弧放电室(15)后部、通过坩埚接口(23)与所述坩埚(8)连通的蒸汽分配室(7)，设置在所述坩埚接口(23)上的船形板(24)，还包括通过蒸汽分配板(30)与所述蒸汽分配室(7)相隔离的放电室(14)，还包括设置在所述弧放电室(15)前部、与所述放电室(14)连通的所述引出电极，所述放电室(14)顶端设置有电子窗(6)，还包括设置在所述弧放电室(15)外围的弧室加热器(33)，所述阴极(5)靠近所述电子窗(6)，所述电子窗(6)距离所述放电室(14)的边缘为0.5mm，所述阴极(5)包括直热式阴极和间热式阴极两种，所述直热式阴极寿命大于24小时。3.如权利要求2所述的同位素电磁分离器用离子源，其特征是：所述引出电极为三电极结构，包含从所述放电室(14)向外依次设置的引出缝电极(3)、聚焦电极(2)、接地电极(1)；所述引出缝电极(3)处于正高压，设有第一引出缝(13)；所述聚焦电极(2)处于负高压，设有第二引出缝(12)；所述接地电极(1)处于零电位，设有第三引出缝(11)。4.如权利要求3所述的同位素电磁分离器用离子源，其特征是：所述蒸汽分配板(30)通过设置在所述蒸汽分配室(7)与所述放电室(14)之间的分配板插槽(22)安装在所述弧放电室(15)内部；所述引出缝电极(3)设置在引出缝面板(32)上，所述引出缝面板(32)通过设置在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：任秀艳，曾自强，吴灵美，李公亮，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：新型
国别省市：北京;11