一种用于同位素电磁分离器的离子源的聚焦电极

摘要

本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种用于同位素电磁分离器的离子源的聚焦电极。现有的聚焦电极打火现象频繁，易损坏，严重制约了同位素电磁分离器的正常工作。本发明所提供的一种用于同位素电磁分离器的离子源的聚焦电极设置在所述离子源的弧放电室外侧的引出电极中，所述引出电极包括引出缝电极和接地电极，所述引出缝电极靠近所述弧放电室；所述聚焦电极设置在所述引出缝电极、接地电极之间，包括支撑板和设置在所述支撑板上的缝口面板，设置在所述缝口面板上的用于引出离子束的引出缝，所述缝口面板采用高纯石墨制作；具有暗电流小，降低打火频率，不易损坏的优点，保证了同位素电磁分离器的长期稳定运行。

权利要求

1.一种用于同位素电磁分离器的离子源的聚焦电极，设置在所述离子源(6)的弧放电室(7)外侧的引出电极中，所述引出电极包括引出缝电极(1)和接地电极(3)，所述引出缝电极(1)靠近所述弧放电室(7)；所述聚焦电极(2)设置在所述引出缝电极(1)、接地电极(3)之间，包括支撑板(8)和设置在所述支撑板(8)上的缝口面板(9)，设置在所述缝口面板(9)上的用于引出离子束的引出缝(10)，其特征是：所述缝口面板(9)采用高纯石墨制作；

所述缝口面板(9)上的所述引出缝(10)向靠近所述引出缝电极(1)一侧凹陷；所述引出缝(10)的凹陷角度α为45度，凹陷部分的深度d＝11mm；

所述支撑板(8)与所述缝口面板(9)连接的部分为凹陷结构(15)，所述凹陷结构(15)向靠近所述引出缝电极(1)一侧凹陷；

所述支撑板(8)在所述缝口面板(9)周围的部分为镂空结构(11)，所述镂空结构(11)的面积为50mm×150mm。

2.如权利要求1所述的聚焦电极，其特征是：所述支撑板(8)采用不锈钢制作。

3.如权利要求2所述的聚焦电极，其特征是：所述支撑板(8)上设有若干透气孔(12)。

说明书

一种用于同位素电磁分离器的离子源的聚焦电极

技术领域

[0001] 本发明属于同位素电磁分离器技术领域，具体涉及一种用于同位素电磁分离器的离子源的聚焦电极。

背景技术

[0002] 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。

[0003] Calutron离子源属于强流离子源的一种，在美国曼哈顿计划期间被发明并用于分离铀同位素。随着铀同位素的分离被其他分离方法取代后，Calutron离子源被用于分离其他元素的同位素。

[0004] 在Calutron离子源的工作中，打火现象与暗电流非常常见并对离子源的性能及束流品质有不可忽视的影响。待分离原料的气体在离子源中被电离成等离子体后，通过引出电极将其中的离子引出形成离子束。引出电极的打火能改变其形状、布局，直接影响到束流的品质，如束流的张角、发射度、能散度等等。离子源中的打火也会影响到离子源的工作状态。

[0005] 不同形状的Calutron离子源，引出电极具有不同的外形。比较典型的两种外形的离子源为美国和俄罗斯的Calutron离子源。美国的Calutron离子源由于四周存在地电位的金属屏蔽，引出电极能做小而不影响束流。俄罗斯的Calutron离子源不存在屏蔽的金属盒，阳极电位容易影响到束流，因此引出电极做得较大。我国的Calutron离子源的外形结构与俄罗斯的离子源接近。Calutron离子源的引出电极为三电极结构，如图1所示，包括引出缝电极、聚焦电极和接地电极，其中聚焦电极位于引出缝电极与接地电极之间。

[0006] 在Calutron离子源用于分离易电离的原料时，较大的聚焦电极存在一系列问题，干扰束流的品质，主要表现在以下几个方面：

[0007] 第一，聚焦电极容易出现频繁打火的现象。

[0008] 早期我国电磁分离器上用的Calutron离子源的聚焦电极为不锈钢一体成型。频繁的打火直接导致聚焦电极的引出缝的缝口过热熔融而变形，使其较大地偏离聚焦电极的尺寸设计。

[0009] 第二，聚焦电极容易出现暗电流(20mA左右，甚至超过20mA)。

[0010] 离子源在出气较多的情况下暗电流较大。暗电流将导致聚焦电极被欧姆加热，在不采取水冷的情况下会变形。然而，聚焦电极一般处于高电位，实施水冷会增加技术上的难度和离子源的复杂性。因此，不期望暗电流出现。

发明内容

[0011] 针对传统的聚焦电极存在的问题，本发明的目的是提供一种能够防止因暗电流的打火而造成变形损坏的聚焦电极。

[0012] 为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于同位素电磁分离器的离子源的聚焦电极，设置在所述离子源的弧放电室外侧的引出电极中，所述引出电极包括引出缝电极和接地电极，所述引出缝电极靠近所述弧放电室；所述聚焦电极设置在所述引出缝电极、接地电极之间，包括支撑板和设置在所述支撑板上的缝口面板，设置在所述缝口面板上的用于引出离子束的引出缝，其中所述缝口面板采用高纯石墨制作。

[0013] 进一步，所述缝口面板上的所述引出缝向靠近所述引出缝电极一侧凹陷。

[0014] 进一步，所述支撑板与所述缝口面板连接的部分为凹陷结构，所述凹陷结构向靠近所述引出缝电极一侧凹陷。

[0015] 进一步，所述支撑板在所述缝口面板周围的部分为镂空结构。

[0016] 更进一步，所述支撑板采用不锈钢制作。

[0017] 进一步，所述支撑板上设有若干透气孔。

[0018] 本发明的有益效果在于：

[0019] 1.缝口面板采用高纯石墨制作，在频繁打火的情况下，缝口面板不会变形，从而保证了缝口面板上的引出缝不会变形和损坏，提高了引出缝电极的寿命(寿命从1个月提升到超过1年)。

[0020] 2.通过引出缝的凹陷设计，以及支撑板的凹陷结构和镂空结构，降低了聚焦电极周围暗电流的大小(从20mA降低到10mA),明显改善了离子源的工作状态，降低了打火频率，保证了同位素分离的顺利进行。

附图说明

[0021] 图1是本发明具体实施方式中所述聚焦电极与所述离子源的安装示意图；

[0022] 图2是本发明具体实施方式中所述聚焦电极的前视图；

[0023] 图3是本发明具体实施方式中所述聚焦电极的侧视图；

[0024] 图4是本发明具体实施方式中所述引出缝面板的前视图；

[0025] 图5是本发明具体实施方式中所述引出缝面板的剖视图；

[0026] 图中：1-引出缝电极，2-聚焦电极，3-接地电极，4-离子源法兰，5-离子源供电接线端，6-离子源，7-弧放电室，8-支撑板，9-缝口面板，10-引出缝，11-镂空结构，12-透气孔，13-缝口面板安装孔，14-支撑板安装孔，15-凹陷结构，16-引出缝凹陷部分。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

[0028] 如图1所示，本发明提供的一种用于同位素电磁分离器的离子源的聚焦电极，设置在离子源6的弧放电室7外侧的引出电极中(离子源6为Calutron离子源)，引出电极为三电极结构，包括引出缝电极1、聚焦电极2和接地电极3，引出缝电极1靠近弧放电室7，聚焦电极2设置在引出缝电极1、接地电极3之间，包括支撑板8和设置在支撑板8上的缝口面板9，缝口面板9上设有用于引出离子束的引出缝10，缝口面板9采用高纯石墨制作。聚焦电极2的打火集中在引出缝10附近，容易造成引出缝10的缝口过热变形。采用熔点高、耐轰击的材料可以克服这个问题。本发明所提供的聚焦电极2的引出缝10采用耐轰击的高纯石墨材料制作。石墨的熔点为3600℃左右，耐热性好，不容易变形。然而，高纯石墨材料件成本相对较高，而且易碎。因此，聚焦电极2的其他部分(支撑板8)仍采用不锈钢材料制作。

[0029] 如图2所示的聚焦电极2，包括支撑板8和设有引出缝10的缝口面板9。缝口面板9通过两端的缝口面板安装孔13设置在支撑板8的中部，在本实施例中，缝口面板安装孔13的直径为Φ＝2.5mm(见图4)。缝口面板9采用高纯石墨材料制作，支撑板8采用不锈钢材料制作。支撑板8上均匀设置若干通气孔12，在本实施例中，聚焦电极2通过支撑板8四周设置的支撑板安装孔14安装在同位素电磁分离器中。

[0030] 在Calutron离子源中，聚焦电极被偏置到-20kV至-5kV左右，弧放电室的电位为30kV。二者之间的电场非常大，造成聚焦电极与引出缝电极之间的暗电流。降低暗电流的办法是增加聚焦电极与弧放电室间的距离，降低二者之间的电场。

[0031] 为了增加聚焦电极与弧放电室间的距离，本发明所提供的聚焦电极2的引出缝10设计成向里凹陷的结构，这样的设计可在保证引出缝10与弧放电室7的电场不受影响的前提下，有效降低聚焦电极2的(除引出缝10以外的)其他部分与弧放电室7之间的电场。如图1、图5所示，为了延长聚焦电极2中除引出缝10以外的部件到离子源6的弧放电室7的距离，聚焦电极2的缝口面板9上的引出缝10向靠近引出缝电极1一侧(弧放电室7)凹陷。在本实施例中，引出缝10的凹陷角度α为45度，凹陷部分的深度d＝11mm(见图5)。

[0032] 同时，支撑板8与缝口面板9连接的部分也设计为凹陷结构15，凹陷结构15向靠近引出缝电极1(弧放电室7)一侧凹陷(见图1、图3)，进一步增加了聚焦电极2中除引出缝10以外的部件到离子源6的弧放电室7的距离。

[0033] 在Calutron离子源工作时，由于弧放电室温度高，有表面电离现象出现。在表面被电离的气体形成离子直接轰击在聚焦电极上，增加暗电流。为此，本发明所提供的聚焦电极2把容易被轰击的区域(引出缝10周边区域)去除，可大大降低暗电流。如图2所示，支撑板8在缝口面板9周围的部分为镂空结构11。在本实施例中，镂空结构11的面积为50mm×150mm。
支撑板8上设有若干透气孔12。

[0034] 本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。