一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法及系统与流程

1.本发明属于同位素分离技术领域，特别涉及一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法及系统。


背景技术：

2.在元素周期表中，质子数相同而中子数不同的同一元素的不同核素互称为同位素。很多同位素有重要的用途，例如12c是作为确定原子量标准的原子；两种h原子是制造氢弹的材料； 235u是制造原子弹的材料和核反应堆的原料。同位素示踪法广泛应用于科学研究（如国防）、工农业生产和医疗技术方面，例如用o标记化合物确证了酯化反应的历程。
3.同一元素不同同位素中子数不同，因而原子核质量及结构也略有不同，从而引起同位素间物理化学性质上的差异，如分子量、密度、粘度、蒸气压、熔点、沸点、生成热、熵和光谱等都有微小差异。正因为有这些差异，同一元素的不同同位素是可以分离的。
4.同位素的分离方法主要包括：电磁法、离心法、等离子体法、激光法、扩散法、蒸馏法、化学交换法、电解法等。其中，电磁法的原理是，不同同位素的离子，电荷相同但质量不同，带电粒子在磁场作圆周运动时，由于质量不同，离子的偏转半径不同，导致不同质量的粒子束分别打在接收器的不同位置。
5.电磁法应用最为广泛，可分离52种元素；电磁法是获得rb、yb等多种同位素的唯一可行方法。电磁法单次分离系数高——适合于生产高丰度稳定同位素，而且切换产品快捷，生产效率高；钙具有五种稳定的同位素，
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ca、
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ca、
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ca、
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ca和
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ca，长寿命的放射性同位
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ca通常也被认为是稳定同位素（半衰期约为4.3
ꢀ×ꢀ
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年）。钙是生物体的必须元素，是植物生长的三种重要元素之一。放射性同位素钙（
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ca和
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ca）开始被广泛地应用于成人钙的吸收和代谢研究中，钙的稳定同位素技术诞生后，由于其方法安全、准确并且相对简单，近年来在钙的吸收和代谢研究中逐渐得到了应用，尤其在特殊生理人群（儿童、孕妇和乳母）的钙吸收和代谢研究中更是成为首选的方法。
6.现有技术中，缺少完善的技术方案，分离钙同位素。
7.因此，需要设计一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法及系统，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

8.针对上述技术问题，本发明提供了一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法，其中，所述方法包括：使用电子，以使金属钙ca的压力蒸汽在同位素电磁分离器的弧放电室中形成放电的团状等离子体；使所述团状等离子体在同位素电磁分离器的离子源出口处形成离子束，并使所述离子束在设定磁感应强度的静磁场下被分离成多股同位素离子束。
9.进一步地，金属钙ca的压力蒸汽形成方式包括：使用第一电压和第一电流的第一低压电源，对放置金属钙ca的坩埚进行加热并保持在设定温度，以使金属钙ca产生保持稳定电弧放电的压力蒸汽；其中，所述坩埚为同位素电磁分离器中，离子源的坩埚。
10.进一步地，其中，电子的形成方式包括：使用第二低压电源对阴极施加第二电压和第二电流，并使用第三低压电源对灯丝施加第三电压和第三电流，以使阴极发出电子。
11.进一步地，金属钙ca的压力蒸汽在同位素电磁分离器的弧放电室中形成放电的团状等离子体，包括：使用第四电压和第四电流的第四低压电源对同位素电磁分离器的弧放电室加热。
12.进一步地，所述同位素电磁分离器包括接收器，其中，所述接收器上设有多个口袋，多个所述口袋，分别用于接收多股同位素离子束。
13.另一发面，本发明还提供一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的系统，所述系统包括：形成模块，用于使用电子，以使金属钙ca的压力蒸汽在同位素电磁分离器的弧放电室中形成放电的团状等离子体；分离模块，用于使所述团状等离子体在同位素电磁分离器的离子源出口处形成离子束，并使所述离子束在设定磁感应强度的静磁场下被分离成多股同位素离子束。
14.进一步地，金属钙ca的压力蒸汽形成方式包括：使用第一电压和第一电流的第一低压电源，对放置金属钙ca的坩埚进行加热并保持在设定温度，以使金属钙ca产生保持稳定电弧放电的压力蒸汽；其中，所述坩埚为同位素电磁分离器中，离子源的坩埚。
15.进一步地，电子的形成方式包括：使用第二低压电源对阴极施加第二电压和第二电流，并使用第三低压电源对灯丝施加第三电压和第三电流，以使阴极发出电子。
16.进一步地，金属钙ca的压力蒸汽在同位素电磁分离器的弧放电室中形成放电的团状等离子体，包括：使用第四电压和第四电流的第四低压电源对同位素电磁分离器的弧放电室加热。
17.进一步地，所述同位素电磁分离器包括接收器，其中，所述接收器上设有多个口袋，多个所述口袋，分别用于接收多股同位素离子束。
18.本发明提供了一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法及系统，有效地实现了钙同位素的分离。
19.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1示出了根据本发明实施例的一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法的流程图。
22.图2示出了根据本发明实施例的一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的系统结构图。
23.图3示出了根据本发明实施例的一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法的流程图。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.由于现有的同位素电磁分离器技术中，尚未对钙同位素的分离提出整套分离工艺，而且现有的同位素电磁分离器分离产能过小，无法满足市场对钙同位素的需要，因此本发明提供了一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法及系统，解决该问题，下面对一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法及系统进行详细地说明。
26.如图1所示的，本发明提供一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法，其中，所述方法包括：使用电子，以使金属钙ca的压力蒸汽在同位素电磁分离器的弧放电室中形成放电的团状等离子体；使所述团状等离子体在同位素电磁分离器的离子源出口处形成离子束，并使所述离子束在设定磁感应强度的静磁场下被分离成多股同位素离子束。
27.下面对本发明的一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法进行详细地描述。
28.为了说明本发明，下面举一个在一同位素电磁分离器中分离钙同位素方法的实例。
29.将金属ca放在离子源的坩埚中（石墨坩埚），将离子源和接收器装配到分离室相应位置，并用真空系统对分离室抽真空，使分离室内真空度小于指定值，示例性的，该指定值为（1-2) x 10-3
pa。使用第一高压电源对离子源的引出极加30-35kv正高压，从而形成电场，以引出束流（离子束的束流）；使用第二高压电源对离子源的聚焦极加3-20 kv负高压，从而形成电场，以聚焦束流（离子束的束流）。
30.在本实施例中，金属钙ca的压力蒸汽形成方式包括：使用第一电压和第一电流的第一低压电源，对放置金属钙ca的坩埚进行加热并保持在设定温度，以使金属钙ca产生保持稳定电弧放电的压力蒸汽；其中，所述坩埚为同位素电磁分离器中，离子源的坩埚。另外，示例性的，第一低压电源的第一电压为6-8v，第一低压电源的第一电流为90-100a，设定温度为600-700℃。
31.在本发明的一个实施例中，电子的形成方式包括：
为了在离子源的弧放电室中获得对气体进行电离的电子，使用第二低压电源对阴极施加第二电压和第二电流，并使用第三低压电源对灯丝施加第三电压和第三电流，以使阴极发出电子。在本实施例中，示例性的，第二低压电源的第二电压为60-400v，第二低压电源的第二电流为0.3-1a；第三低压电源的第三电压为6-9v，第三电流为110-130a。
32.在本发明的一个实施例中，金属钙ca的压力蒸汽在同位素电磁分离器的弧放电室中形成放电的团状等离子体，包括：为了对所形成的工作物质的蒸汽（即金属钙ca的压力蒸汽）进行电离，保证等离子体在离子源的弧放电室中形成，使用第四电压和第四电流的第四低压电源对同位素电磁分离器的弧放电室加热，以使用阴极发出的电子束对金属钙ca的压力蒸汽进行电离，形成放电的团状等离子体，示例性的，第四低压电源的第四电流为20-30a，第四电压为10-20v。
33.在本发明的一个实施例中，使离子源弧放电室中形成的金属ca的团状等离子体在离子源出口处形成离子束，该离子束在设定静磁场的作用下按离子的质量被分离成多股同位素离子束，示例性的，通过被分成6股同位素离子束，设定的静磁场的磁感应强度为0.35t。
34.在本发明的一个实施例中，如上述所提，所述同位素电磁分离器包括接收器，其中，所述接收器上设有多个口袋，多个所述口袋，分别用于接收多股同位素离子束，因此，形成的多股同位素离子束可由磁场聚束到接收器的不同接收口袋内，可示例性的，口袋有6个，6个口袋能接收6股同位素离子束。
35.另外，在本实施例中，最终能获得金属ca的同位素如下：-丰度为97.9%的同位素
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ca— 5 g；-丰度为3%的同位素
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ca—0.1 g；-丰度为0.3%的同位素
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ca—0.02 g；-丰度为11%的同位素
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ca—0.5 g；-丰度为0.1%的同位素
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ca—0.01 g；-丰度为0.1%的同位素
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ca—0.01 g。
36.在本实施例中，还提供一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的提取方法，其中，所述提取方法包括：在通过6个口袋，将6股同位素离子束接收后，将接收器从分离室上拆下，采用阳极浸泡法从对应口袋中取出对应同位素,分析所得富含同位素的溶液的丰度，并加工成最终产品。
37.另外，在本发明中，如图3所示的，一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法还包括如下的步骤：在将金属ca放入离子源坩埚内前，清洗离子源和接收器，然后采购金属ca；将离子源和接收器装配到分离室相应位置后，同位素电磁分离器通水（为了冷却离子源以及同位素电磁分离器内的其他部件）、通电（使离子源、真空泵、磁场线圈等用电设备进行通电），进行金属ca的同位素（以下简称ca同位素）分离。
38.在分离室抽真空后，离子源发射的多股同位素离子束由磁场聚束到接收器的不同接收口袋内，分离结束后，使分离器的线圈、离子源断电，然后真空室破空（接收器处于真空中，需要破空才能取出接收器的口袋）。
39.在多股同位素离子束由磁场聚束到接收器的不同接收口袋内后，拆下接收器，然后对接收器口袋内的ca同位素进行提取过程；在对接收器口袋内的ca同位素进行提取后，对ca同位素进行提纯；在对ca同位素进行提纯后，对ca同位素进行化学分析；在对ca同位素进行化学分析后，对ca同位素进行质谱分析；在对ca同位素进行质朴分析后，对ca同位素存入同位素库。
40.综上，本发明保证钙同位素产能，同时提供整套钙同位素的分离工艺。
41.另一方面，如图2所示的，本发明还提供一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的系统，所述系统包括：形成模块，用于使用电子，以使金属钙ca的压力蒸汽在同位素电磁分离器的弧放电室中形成放电的团状等离子体；分离模块，用于使所述团状等离子体在同位素电磁分离器的离子源出口处形成离子束，并使所述离子束在设定磁感应强度的静磁场下被分离成多股同位素离子束。
42.在本实施例中，其中，金属钙ca的压力蒸汽形成方式包括：使用第一电压和第一电流的第一低压电源，对放置金属钙ca的坩埚进行加热并保持在设定温度，以使金属钙ca产生保持稳定电弧放电的压力蒸汽；其中，所述坩埚为同位素电磁分离器中，离子源的坩埚。
43.在本实施例中，其中，电子的形成方式包括：使用第二低压电源对阴极施加第二电压和第二电流，并使用第三低压电源对灯丝施加第三电压和第三电流，以使阴极发出电子。
44.在本实施例中，其中，金属钙ca的压力蒸汽在同位素电磁分离器的弧放电室中形成放电的团状等离子体，包括：使用第四电压和第四电流的第四低压电源对同位素电磁分离器的弧放电室加热。
45.在本实施例中，其中，所述同位素电磁分离器包括接收器，所述接收器上设有多个口袋，多个所述口袋，分别用于接收多股同位素离子束。
46.在本发明中，本发明还提供一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的系统各步骤实现的功能以及方式与本发明一种基于同位素电磁分离器分离钙同位素的方法各部分实现的功能以及方式一一对应，因此，在此不再赘述。
47.以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。