一种同位素电磁分离器用离子源的制作方法

本实用新型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。

背景技术：

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，本实用新型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。

技术实现要素：

针对早期的同位素电磁分离器的离子源所存在的问题，本实用新型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，本实用新型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。

本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型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，减少弧放电室周围电子震荡放电。聚焦电极的引出缝改成窄条状，从而减少气阻，提高电极区域真空度，减少工作物质在聚焦电极上的沉积。保证离子源的稳定运行，减少聚焦电极上的打火现象。离子源可连续稳定运行超过24小时。

3.坩埚的绝缘支撑为陶瓷材料。在空气潮湿的季节也能正常开机，增加了同位素电磁分离器的分离运行时间。

4.选择石墨作为坩埚和加热器材料。易于加工，且工作温度可达到800℃。

5.能够实现离子源参数调整的人工在线控制。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式中所述离子源的结构侧视图；

图2是本实用新型具体实施方式中所述离子源的结构俯视图；

图3是本实用新型具体实施方式中所述弧放电室与所述坩埚的连接示意图

图4是本实用新型具体实施方式中所述弧放电室与所述坩埚的连接结构剖视图；

图5是本实用新型具体实施方式中所述弧放电室的俯视剖视图；

图6是本实用新型具体实施方式中所述坩埚的示意图；

图7是本实用新型具体实施方式中所述弧放电室的前视图；

图8是本实用新型具体实施方式中所述弧放电室的B-B剖视图；

图9是本实用新型具体实施方式中所述弧放电室的C向视图；

图10是本实用新型具体实施方式中所述引出缝电极的前视图；

图11是本实用新型具体实施方式中所述引出缝电极的B-B剖视图；

图12是本实用新型具体实施方式中所述引出缝电极的C向剖视图；

图13是本实用新型具体实施方式中所述聚焦电极的所述第二引出缝的前视图；

图14是本实用新型具体实施方式中所述聚焦电极的所述第二引出缝的侧视图；

图15是本实用新型具体实施方式中所述陶瓷套筒的剖视图；

图16是本实用新型具体实施方式中所述多波纹支撑绝缘子的剖视图；

图17是本实用新型背景技术中所述传统坩埚的示意图；

图18是本实用新型具体实施方式中所述同位素电磁分离器用离子源在所述同位素电磁分离器的真空室中的安装示意图；

图中：1-接地电极，2-聚焦电极，3-引出缝电极，4-灯丝，5-阴极，6-电子窗，7-蒸汽分配室，8-坩埚，9-热反射屏，10-坩埚加热炉筒，11-第三引出缝，12-第二引出缝，13-第一引出缝，14-放电室，15-弧放电室，16-坩埚口密封细螺纹，17-前端绝缘环安装螺纹，18-装料室，19-尾端绝缘环安装螺纹，20-电子窗插槽，21-引出缝面板插槽，22-分配板插槽，23-坩埚接口，24-船形板，25-固定座，26-螺钉，27-坩埚前端绝缘环，28-坩埚尾端绝缘环，29-供电接头，30-蒸汽分配板，31-转接头，32-引出缝面板，33-弧室加热器，34-防打火罩，35-离子源中部，36-PIG板，37-气化放电装置，38-安装法兰，39-陶瓷套筒，40-真空室壁，41-引入绝缘子，42-多波纹支撑绝缘子。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

本实用新型提供的一种同位素电磁分离器用离子源，主要包括弧放电室与气化系统、引出电极、高压绝缘与支撑结构，还包括防打火装置、水冷与真空密封及对外接口等等。离子源为产生离子束流的装置，如图1、图2所示，其工作原理为：RbC1装在坩埚8中，经坩埚加热炉筒10加热气化后，通过蒸汽分配室7、船形板24和蒸汽分配板30进入放电室14的放电区；加热的灯丝4发射电子轰击阴极5，阴极5发射的电子被电场加速和磁场约束，穿过电子窗6进入放电室14并与RbC1的气体分子发生碰撞电离，形成弧放电等离子体；弧放电等离子体经引出电极系统引出，形成具有一定能量和形状的离子束。

如图3、图4所示，弧放电室和气化系统包括弧放电室15(弧放电室15是一个整体的凹槽)，以及与弧放电室15后部相连的坩埚8，设置在坩埚8外围的坩埚加热炉筒10，设置在弧放电室15顶部的阴极5和灯丝4，设置在弧放电室15前部的设有引出缝的引出电极，其中弧放电室15、坩埚8直接密封连接(采用端面密封)。与传统的坩埚需要转接头连接的方式相比(见图17)，坩埚8与弧放电室15直接连接，增强了坩埚8与弧放电室15之间的气密性，能够保持坩埚8中的工作物质的蒸汽密度，保证了后续产生的等离子体的浓度。在本实施例中，弧放电室15的外形尺寸为36mm×41mm×220mm；坩埚8的安装口(与弧放电室15的连接部分)内径Φ18mm，外径M24mm，有长8mm的外螺纹，安装口的总长为10mm；坩埚8内部的装料室18的容积能够保证同位素电磁分离器一次工作100h左右。

如图4、图5、图7、图8所示，弧放电室15包括设置在弧放电室15后部、通过坩埚接口23与坩埚8连通的蒸汽分配室7，设置在坩埚接口23上的船形板24，还包括通过蒸汽分配板30与蒸汽分配室7相隔离的放电室14，还包括设置在弧放电室15前部、与放电室14连通的引出电极，放电室14顶端设置有电子窗6，还包括设置在弧放电室15外围的弧室加热器33，阴极5靠近电子窗6，电子窗6距离放电室14的边缘为0.5mm，阴极5包括直热式阴极和间热式阴极两种，其中直热式阴极寿命大于24小时。在本实施例中，弧放电室15与坩埚8的坩埚接口23为直径24mm的细螺纹口，深13mm；放电室14尺寸为20mm×8mm×212mm。

如图4、图5、图8、图9所示，蒸汽分配板30通过设置在蒸汽分配室7与放电室14之间的分配板插槽22安装在弧放电室15内部(蒸汽分配板30安装在分配板插槽22中)；并将蒸汽分配室7与放电室14隔开。蒸汽分配板30和船形板24的作用是使进入放电室14的气体分子在纵向上均匀分布，使弧放电等离子体在纵向上均匀分布。

如图4、图5、图7、图8、图9所示，引出缝电极3设置在引出缝面板32上，引出缝面板32通过设置在放电室14上的引出缝面板插槽21安装在放电室14上。在本实施例中，引出缝面板32宽28mm，厚3mm，长度为217mm。引出缝面板插槽21为3mm深的燕尾槽

如图4、图7、图8、图9所示，电子窗6通过放电室14顶端的电子窗插槽20设置在放电室14上，电子窗插槽20为深3mm的60°燕尾槽。

传统的弧放电室采用扣押式密封形式，放电室和蒸汽分配室是两个部分，本实用新型所提供的弧放电室15采用插板(配合插槽)的方式，将放电室14和蒸汽分配室7制成一个整体(如图4、图5、图8所示)，提高了弧放电室15的气密性，减少了暗电流的产生，

如图1、图2所示，引出电极为三电极结构，第一电极为引出缝电极3，第二电极为聚焦电极2，第三电极为接地电极1，这三个电极从放电室14向外按照“引出缝电极3、聚焦电极2、接地电极1”的顺序依次设置；每个电极上都设有相应的引出缝，以便离子束流的引出。其中，引出缝电极3处于35kV(V_A)正高压，设有第一引出缝13；聚焦电极2处于-25kV(V_F)负高压，设有第二引出缝12(如图13、图14所示)；接地电极1处于零电位，设有第三引出缝11。聚焦电极2(第二电极)选用负电位(负高压)，作用有两个，一是阻止引出的离子束流的等离子体中的电子被正高压吸引达到聚焦电极2，造成放电室14过热损坏；二是阻止引出的离子束流的等离子体中电子损失，有利于空间电荷补偿和离子束流的聚焦。这种电极安排结构相对复杂，但有利于离子的引出和离子束流的聚焦，提高引出的离子束流的流强。弧放电等离子体的离子束流从第一引出缝13引出后被电场加速到V_A+V_F约60kV，穿过聚焦电极2的第二引出缝12的缝口进入减速场，当离子束流穿过接地电极1的第三引出缝11的缝口后，离子的能量为V_A，这样的安排使得离子引出电压为V_A+V_F，而离子最终能量为V_A，为了能很好分离同位素，V_A的稳定度为0.04％，纹波也是0.04％。而对V_F的要求不高，通常在1～0.1％。

如图10、图11、图12所示，引出缝电极3上的第一引出缝13为窄条状，纵向为曲面，(纵向)曲率半径为2600mm(在本实施例中，其公差应控制在2600±50mm的范围内)，电子窗6的边沿到第一引出缝13的距离为0.5mm(这样的距离能够较大地提高引出束流的流强)。第一引出缝13设计成窄条状，能够减少气阻，有利于提高电极区域真空度，同时也减少了工作物质在引出缝电极3上的沉积，从而减少高压击穿。

引出缝电极3、聚焦电极2、接地电极1的极间(图2中d₁、d₂)距离能够调整，聚焦电极2的聚焦电压能够调整，能够实现离子源参数调整的人工在线控制(通过更换不同缝口宽度的聚焦电极2，实现第二引出缝12的缝口宽度的调整)，使引出的离子束流有较好的聚焦能力。通过程序进行模拟计算及实验修正的方法，优化引出电极中的三个电极的形状及引出参数等，对离子源核心部件电极引出系统进行设计。从而有利于离子束流的引出，增大引出束流的流强，提高同位素丰度。

在离子源头部(即靠近引出电极的弧放电室15部分)的电子将垂直于电磁场并沿着等位面向离子源后部做漂移运动，电子在漂移过程中，不断产生碰撞电离而使电子繁增，加大“打火”的次数和严重程度。在离子源的头部、靠近引出电极的位置设有气化放电装置37，在离子源中部35的位置设有防打火罩34，防打火罩34能够防止气化放电装置37产生的慢电子在磁场作用下偏转到离子源中部35的区域时对离子源中部35所在区域内的零部件的轰击，增加零部件的使用寿命。

如图18所示，本实用新型所提供的同位素电磁分离器用离子源上设有安装法兰38，通过安装法兰38将同位素电磁分离器用离子源安装在同位素电磁分离器的真空室中。其中，真空室壁40内部为真空环境，真空室壁40外部为大气环境。在离子源的弧放电室15两侧安装PIG板36，PIG板36能够改变弧放电室15中的电场分布，减少弧放电室15周围的电子震荡放电。由于离子源头部(弧放电室15)为正高压，而真空室内部为地电位，能产生电子震荡放电，通过在离子源头部(弧放电室15)两侧安装PIG板36，改变电场分布，可以减少这种电子震荡放电(即PIG放电)。PIG板36为不锈钢材质。

本实用新型提供的离子源的高压绝缘主要有两部分，35kV的绝缘和-25kV绝缘。坩埚8与坩埚加热炉筒10之间35kV高压部分采用陶瓷套筒39(见图15，图18)作为绝缘支撑，同时也是弧放电室15(即离子源头部)的支撑部分。聚焦电极2所处的-25kV负高压部分采用的绝缘包括引入绝缘和支撑绝缘，其中，引入绝缘的引入绝缘子41一半在真空室的真空中，另一半在弧放电室15外(真空室外)的大气中空气绝缘；支撑绝缘用于聚焦电极2的绝缘支撑，采用多波纹支撑绝缘子42(见图16)；引入绝缘子41、多波纹支撑绝缘子42均采用Al₂O₃材质制作。引入绝缘子41安装在安装法兰38上，用于引入聚焦电极2的高压导线并使之与安装法兰38绝缘。多波纹支撑绝缘子42将聚焦电极2支撑在接地电极1上(支撑聚焦电极2的四角)，并使之与接地电极1绝缘。

如图6所示，在本实施例中，坩埚8为圆筒状，前端和尾端均设有M30的外螺纹(分别为前端绝缘环安装螺纹17、尾端绝缘环安装螺纹19)，螺纹长15mm-16mm，用于安装作为绝缘支撑的陶瓷套筒，起到坩埚8与坩埚加热炉筒10之间的绝缘作用(传统的同位素电磁分离器采用有机玻璃作为绝缘支撑，有机玻璃不耐高温，且膨胀系数较大，在潮湿天气中绝缘效果受到很大影响)。

弧放电室15、坩埚8、坩埚加热炉筒10、弧室加热器33采用高纯石墨或不锈钢制作。坩埚加热炉筒10采用不锈钢材料制作时，是由两层不锈钢薄壁(0.1～0.2mm厚)圆筒焊接成。上述部件采用不锈钢制作的优点是寿命长，但加工困难、造价高，因此在本实施例中，均采用高纯石墨制作，其中坩埚8、坩埚加热炉筒10工作温度不低于800℃(坩埚加热炉筒10要求加热的温度可以达到800℃～1000℃)，加热功率为200A×20V。

本实用新型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实用新型的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本实用新型的技术创新范围。