一种同位素电磁分离系统的制作方法

1.本技术涉及但不限于电磁分离领域，尤其涉及一种同位素电磁分离系统。


背景技术：

2.同位素已广泛应用于国防、计量、航天、工业、农业、生物、医学及科学研究等各个领域。例如：反潜机用量子磁力仪的核心材料
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k，我国北斗导航卫星授时系统核心材料
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rb，核燃料6li等等。上述应用均需要高丰度的同位素且丰度越高越好。
3.常用的同位素分离方法有气体扩散法、离心法和电磁法等等。同位素电磁分离法能适应对稳定同位素的高丰度、多品种、少用量的需要，电磁分离法依然是通用分离技术的最佳选择。甚至有些同位素只能用电磁法进行分离。参照图1，电磁同位素分离器基本工作原理是离子源02发射离子04，离子04经电场加速后进入磁场，由于不同的同位素质量不同，它们的偏转半径也不同，同位素因此分离。电磁分离法的主工艺设备是电磁分离器，它的一个重要性能参数就是分离同位素能力的高低，也就是最终产品同位素丰度的高低。
4.目前，考虑电磁分离器设备庞大复杂，参照图1，真空室01、离子源02、接收器03、主体磁铁等部件不易改变等因素，并且对于大质量数的元素，现有的电磁分离器同位素的丰度受限，为此，本技术提出了一种同位素电磁分离系统。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种同位素电磁分离系统，利用在真空室内放置离子挡件的方案，使电磁分离系统达到了便捷调整离子运动轨迹的效果，进一步地提升同位素的丰度。
6.为了达到上述目的，本技术实施例的技术方案是这样实现的：
7.本技术实施例提供的一种同位素电磁分离系统，包括：真空室，用于提供真空环境；离子源，用于在真空室内发射离子；驱动场，用于驱动离子加速运动和偏转；接收器，设置在离子加速运动和偏转后的路径上，用于接收离子的多种同位素；离子挡件，设置在离子源和接收器之间的离子的部分运动轨迹上，用于阻挡部分离子穿过。
8.本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，离子源在真空室内发射离子后经过驱动场，驱动离子加速运动和偏转，将接收器设置在离子加速运动和偏转后的路径上，因不同同位素的质量不同导致其偏转半径不同，同位素得以分离，在接收器的位置形成了具有一定宽度的像，由于存在像宽，导致同位素之间相互掺杂，影响同位素丰度的进一步提高，相关技术中提高同位素的丰度方法有减小离子的出射角度，进而使得像宽减小，降低同位素之间的相互影响；建立更好的磁场分布，实现更好的束流的输运方式；调整接收器的位置和结构，更有利于同位素的接收效果，但这些方法需要对设备进行物理结构调整，成本较高且较为复杂，对于不同同位素需要调整的结构不同，适用范围较窄，为此本技术提供了一种优选方案，在离子源和接收器之间离子的部分运动轨迹上设置离子挡件，用于阻挡部分离子穿过，在离子源和接收器之间离子的部分运动轨迹上设置离子挡件，能够在离子的运输过程中阻挡一部分离子，减小不同同位素之间的相互影响从而提高同位素的丰度，相比相关
技术中通过对设备进行物理结构调整的方案，本技术只需在离子源和接收器之间离子的部分运动轨迹上设置离子挡件，不但可以提高电磁分离器分离同位素的能力，而且在实际应用中便于安装，成本低廉，分离不同元素仅需要微小调整即可。本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，利用在真空室内放置离子挡件的作用相当于减小离子的出射角度，但无需改变电磁分离系统的物理结构，使电磁分离系统达到了便捷调整离子运动轨迹的效果，进一步提升同位素的丰度。
9.在本技术的一种可能的实现方式中，离子挡件设置在离子的运动轨迹的边缘处。
10.本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，离子源在真空室内发射离子后经过驱动场，驱动离子加速运动和偏转，将接收器设置在离子加速运动和偏转后的路径上，因不同同位素的质量不同导致其偏转半径不同，同位素得以分离，在接收器的位置形成了具有一定宽度的像，由于存在像宽，导致同位素之间相互掺杂，影响同位素丰度的进一步提高，将离子挡件设置在离子的运动轨迹的边缘处，阻挡了离子运动轨迹边缘部分的离子，缩小了像宽，减小了同位素之间相互掺杂的数量，进一步提高了同位素的丰度，且将离子挡件设置在离子的运动轨迹的边缘处，方便放置和调整。
11.在本技术的一种可能的实现方式中，离子挡件为多个，多个离子挡件中，两个为一组，位于同一组的两个离子挡件设置在离子的运动轨迹的相对的两侧边缘处。
12.本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，当同位素分离后可在接收器的位置形成一定宽度的像，像的宽度由离子运动轨迹最内侧和最外侧之间的距离决定，为了进一步缩小像宽，将离子挡件的数量设置为多个，在多个离子挡件中，两个离子挡件设置为一组，位于同一组的两个离子挡件设置在离子的运动轨迹的相对两侧的边缘处。
13.在本技术的一种可能的实现方式中，离子挡件靠近离子源和接收器之间的中位设置。
14.本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，离子源在真空室内发射离子，离子经过驱动场，驱动场驱动离子加速运动和偏转，将接收器设置在离子加速运动和偏转后的路径上，因不同同位素的质量不同导致其偏转半径不同，当离子运行到离子源和接收器之间的中位位置时，因同位素之间质量的差异，导致在中位位置时，像宽的宽度最大，可能会导致同位素之间相互掺杂，影响同位素丰度的进一步提高，因此，将离子挡件设置在靠近离子源和接收器之间的中位，可以阻挡不需要的离子，进一步地提高同位素之间的丰度。
15.在本技术的一种可能的实现方式中，离子挡件靠近接收器设置。
16.本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，除了离子挡件靠近离子源和接收器之间的中位设置以外，离子挡件也可靠近接收器设置，在接收器前设置离子挡件操作较为方便，且方便调整离子挡件相对于离子的运动轨迹之间的夹角。
17.在本技术的一种可能的实现方式中，离子挡件为板状结构，离子挡件的延伸方向所在平面与离子的运动轨迹呈一角度设置。
18.本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，离子挡件设置在离子源和接收器之间的离子的部分运动轨迹上，用于阻挡部分离子穿过，将离子挡件设置为板状结构，离子挡件的延伸方向所在平面与离子的运动轨迹呈一角度设置，使得部分运动轨迹上的离子与离子挡件之间的接触面积增加，且板状结构为规则结构，方便制作和生产，可降低同位素电磁分离系统的成本。
19.在本技术的一种可能的实现方式中，离子挡件的延伸方向所在平面与离子的运动轨迹垂直。
20.本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，将离子挡件设置为板状结构，离子挡件的延伸方向所在平面与离子的运动轨迹呈一定角度设置，角度的大小可根据同位素电磁分离系统的需要进行调整，离子挡件的延伸方向所在平面与离子的运动轨迹呈一定角度设置，此时离子挡件的延伸方向所在平面与离子的运动轨迹之间的夹角大于0
°
小于180
°
，当离子挡件的延伸方向所在平面与离子的运动轨迹之间呈锐角或钝角设置时，离子挡件可以阻挡部分离子，但当离子挡件的延伸方向所在平面与离子的运动轨迹垂直时，离子挡件则可以完全阻挡离子挡件放置位置的离子，因此，为了阻挡离子挡件放置位置的全部离子，使得离子挡件的延伸方向所在平面与离子的运动轨迹垂直。
21.在本技术的一种可能的实现方式中，离子挡件由石墨材料制成。
22.本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，离子挡件用于阻挡部分离子，且在离子源和接收器之间可设置多个离子挡件，本技术要求制作离子挡件的材料成本较低，易于获得，且易于加工，为此，选取石墨作为制作离子挡件的材料。
23.在本技术的一种可能的实现方式中，驱动场包括电场和磁场，电场用于对离子加速，磁场用于使离子偏转。
24.本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，驱动场为电场和磁场的组合场，在电场的作用下使离子进行加速，同时在磁场的作用下使离子发生偏转，离子的运动轨迹类似于抛物线，使得不同同位素质量不同导致其偏转半径不同，用于同位素分离。
25.在本技术的一种可能的实现方式中，真空室上开设有观察窗，观察窗用于观察接收器处接收到的离子形成的像。
26.本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，在真空室中可开设有观察窗，观察窗用于观察接收器处接收到离子形成的像，根据观察到接收器处接收到离子形成的像实时调整离子挡板与离子的运动轨迹之间的夹角，可进一步的提高同位素的丰度。
附图说明
27.图1为相关技术中的电磁分离方法的示意图；
28.图2为本技术实施例中的电磁分离方法中一组离子挡件位于中位的示意图；
29.图3为本技术实施例中的电磁分离方法中一组离子挡件靠近接收器位置的示意图；
30.图4为本技术实施例中的电磁分离方法中设置两组离子挡件的示意图。
31.附图标记
32.01-真空室；02-离子源；03-接收器；04-离子；1-真空室；2-离子源；3-接收器；4-离子挡件；5-离子。
具体实施方式
33.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本技术宗旨的解释说明，不应视为对本技术的不当限制。
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术的具体技术方案做进一步详细描述。以下实施例用于说明本技术，但不用来限制本技术的范围。
35.在本技术实施例中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
36.此外，在本技术实施例中，“上”、“下”、“左”以及“右”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
37.在本技术实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。
38.在本技术实施例中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
39.在本技术实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
40.同位素已广泛应用于国防、计量、航天、工业、农业、生物、医学及科学研究等各个领域。例如：反潜机用量子磁力仪的核心材料
41
k，我国北斗导航卫星授时系统核心材料
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rb，核燃料6li等等。上述应用均需要高丰度的同位素且丰度越高越好，其中，同位素丰度为自然界中存在的某一元素的各种同位素的相对含量，可以表示为原子分数或质量分数。
41.常用的同位素分离方法有气体扩散法、离心法和电磁法等等，同位素电磁分离法能适应对稳定同位素的高丰度、多品种、少用量的需要，电磁分离法依然是通用分离技术的最佳选择，甚至有些同位素只能用电磁分离法进行分离。
42.电磁同位素分离的基本工作原理是离子经过电场加速后进入磁场，由于不同的同位素质量不同，它们的偏转半径也不同。分离的过程是将原料加热汽化，在离子源的放电室内与电子发生碰撞电离，形成等离子体，利用电极系统引出后，形成具有一定能量和形状的离子束，利用磁场实现偏转、质量分离和角聚焦，在接收器的一端可同时获得同一元素的多种同位素。
43.需要解释说明的是，等离子体是指部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气状物质，等离子体是不同于固体、液体和气体的物质的第四态，而物质由分子构成，分子由原子构成，原子则由带正电的原子核和围绕自身带负电的电子构成。当原子被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，电子离开原子核，这个过程成为电离，这时，物质就变成了由带正电的原子核和带负
电的电子组成，又因为物质中正负电荷的总量相等，因此近似于电中性，所以将其称为等离子体。
44.电磁分离法的主要工艺设备是电磁分离系统，电磁分离系统的一个重要的性能参数为分离同位素能力的高低，即最终产品同位素丰度的高低。
45.参照图2，本技术实施例提供一种同位素电磁分离系统，包括：真空室1，用于提供真空环境；离子源2，用于在真空室1内发射离子5；驱动场，用于驱动离子5加速运动和偏转；接收器3，设置在离子5加速运动和偏转后的路径上，用于接收离子5的多种同位素；离子挡件4，设置在离子源2和接收器3之间的离子5的部分运动轨迹上，用于阻挡部分离子5穿过。
46.参照图2，本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，离子源2在真空室1内发射离子5后经过驱动场，驱动离子5加速运动和偏转，将接收器3设置在离子5加速运动和偏转后的路径上，因不同同位素的质量不同导致其偏转半径不同，同位素得以分离，在接收器3的位置形成了具有一定宽度的像，由于存在像宽，导致同位素之间相互掺杂，影响同位素丰度的进一步提高，相关技术中提高同位素的丰度方法有减小离子的出射角度，进而使得像宽减小，降低同位素之间的相互影响；建立更好的磁场分布，实现更好的束流的输运方式；调整接收器的位置和结构，更有利于同位素的接收效果，但这些方法需要对设备进行物理结构调整，成本较高且较为复杂，对于不同同位素需要调整的结构不同，适用范围较窄，为此，本技术提供了一种同位素电磁分离系统，在离子源2和接收器3之间离子5的部分运动轨迹上设置离子挡件4，用于阻挡部分离子5穿过，在离子源2和接收器3之间离子5的部分运动轨迹上设置离子挡件4，能够在离子5的运输过程中阻挡一部分离子5，减小不同同位素之间的相互影响从而提高同位素的丰度，相比相关技术中通过对设备进行物理结构调整的方案，本技术只需在离子源2和接收器3之间离子5的部分运动轨迹上设置离子挡件4，不但可以提高同位素电磁分离系统分离同位素的能力，而且在实际应用中便于安装，成本低廉，分离不同元素仅需要微小调整即可。本技术实施例提供的同位素电磁分离系统，利用在真空室1内放置离子挡件4的方案，使电磁分离系统达到了便捷调整离子5运动轨迹的效果，进一步地提升同位素产品的丰度。
47.需要补充说明的是，驱动场，用于驱动离子5加速运动和偏转，驱动场包括电场和磁场，在电场的作用下对离子5进行加速，使得离子5获得一定的初始速度，同时在磁场的作用下使离子5发生偏转，离子5既进行加速运动，又进行偏转运动，导致离子5的运动轨迹类似于抛物线，使得不同同位素质量不同导致其偏转半径不同，各个同位素位于不同的偏转半径上，导致同位素分离。
48.进一步地，如图2所示，离子源2在真空室1内发射离子5后经过驱动场，驱动离子5加速运动和偏转，将接收器3设置在离子5加速运动和偏转后的路径上，因不同同位素的质量不同导致其偏转半径不同，同位素得以分离，在接收器3的位置形成了具有一定宽度的像，由于存在像宽，导致同位素之间相互掺杂，影响同位素丰度的进一步提高，为了方便离子挡件4放置，且阻挡离子5运动轨迹上不需要的离子5，因此，将离子挡件4设置在离子5的运动轨迹的边缘处，阻挡了离子5运动轨迹边缘部分的离子5，缩小了像宽，减小了同位素之间相互掺杂的数量，进一步提高了同位素的丰度。
49.更进一步地，如图2所示，当同位素分离后可在接收器3的位置形成一定宽度的像，像的宽度由离子5运动轨迹最内侧和最外侧之间的距离决定，为了进一步缩小像宽，将离子
挡件4的数量设置为多个，在多个离子挡件4中，将两个设置为一组，位于同一组的两个离子挡件4设置在离子5的运动轨迹的相对两侧的边缘处，由于离子5的运动轨迹的相对两侧的边缘处易于放置离子5挡件4，而且还可以阻挡离子5的运动轨迹的相对两侧的边缘处的部分离子5，缩小在接收器3的位置形成的像宽，减小了同位素之间相互掺杂的数量，提高了同位素的丰度。
50.需要补充说明的是，参照图2，离子挡件4可放置在离子5的运动轨迹上的任意地方，只是离子挡件4的位置需要严格计算，使得刚好挡住不需要的离子5，位置放置不当，不但不能提高同位素的丰度，反而过多挡住离子5，影响产量，为了放置方便，本技术提出了一种优选方案，将离子挡件4设置在离子5的运动轨迹的相对两侧的边缘处，离子挡件4也可设置在离子5运动轨迹的其他位置，只要可以提高同位素的丰度即可。
51.示例地，参照图2、图3和图4，当同位素分离后可在接收器3的位置形成一定宽度的像，像的宽度由离子5运动轨迹最内侧和最外侧之间的距离决定，为了进一步缩小像宽，将离子挡件4的数量设置为多个，可将离子挡件分为多组，两个离子挡件可为一组，三个离子挡件也可设置为一组，每组离子挡件的数目可根据需要阻挡离子的数目以及阻挡离子位于离子运动轨迹的位置确定，对此，本技术不作限定。如果将两个离子挡件设置为一组，则将位于同一组的两个离子挡件4设置在离子5的运动轨迹的相对两侧的边缘处，为此，本技术提供一种具体的实施例，当离子源2和接收器3之间只设置一组离子挡件4时，离子挡件4既可设置在靠近离子源2和接收器3之间的中部位置，也可将离子挡件4设置在靠近接收器3的位置，当离子源2和接收器3之间设置两组离子挡件4时，一组离子挡件4设置在靠近离子源2和接收器3之间的中部位置，一组设置在靠近接收器3的位置。当离子源2和接收器3之间设置三组或三组以上的离子挡件4时，离子挡件4可设置在离子源2和接收器3之间的离子5运动轨迹的各个位置，需要具体说明的是，离子挡件4放置的位置需要经过严格计算，如位置放置不当，不但不能提高同位素的丰度，反而会过多挡住离子5，影响产量。如图3所示，当离子挡件4设置在靠近离子源2和接收器3之间的中部位置时，离子源2在真空室1内发射离子5后经过驱动场，驱动离子5加速运动和偏转，将接收器3设置在离子5加速运动和偏转后的路径上，因不同同位素的质量不同导致其偏转半径不同，当离子5运行到离子源2和接收器3之间的中位位置时，因同位素之间质量的差异，导致在中位位置时，像的宽度最大，可能会导致同位素之间相互掺杂，影响同位素丰度的进一步提高，因此，将离子挡件4设置在靠近离子源2和接收器3之间的中位，可以阻挡不需要的离子5，进一步地提高同位素的丰度。
52.如图3和图4所示，除了将离子挡件4靠近离子源2和接收器3之间的中位设置以外，离子挡件4也可靠近接收器3设置，在接收器3前设置离子挡件4操作较为方便，且设置离子挡件4的位置位于真空室的侧壁的同时靠近接收器3，方便调整离子挡件4相对于离子5的运动轨迹之间的夹角，也可将一组离子挡件4设置在靠近离子源2和接收器3之间的中部位置，一组离子挡件4设置在靠近接收器3的位置，使得提高同位素丰度的效果更好。
53.需要具体说明的是，参照图2，离子挡件4设置在离子源2和接收器3之间的离子5的部分运动轨迹上，用于阻挡部分离子5穿过，离子挡件4的形状可设置为多样，离子挡件4的形状可设置为柱状、板状等规则结构，还可以设置为其他的不规则形状等等，根据所需阻挡离子5的数量和区域决定。相比于将离子挡件4设置为柱状结构，将离子挡件4设置为板状结构，且离子挡件4的延伸方向所在平面与离子5的运动轨迹呈一角度设置，将离子挡件4设置
为板状结构使得部分运动轨迹上的离子5与离子挡件4之间的接触面积增加的同时易于定位，可充分阻挡不需要的离子5，提升同位素的丰度，同时，相比于将离子挡件4设置为不规则形状，将离子挡件4设置为板状结构，因为板状结构为规则结构，可批量制作，且在实际应用中便于安装，成本低廉。
54.进一步地，参照图2，将离子挡件4设置为板状结构，离子挡件4的延伸方向所在平面与离子5的运动轨迹呈一定角度设置，角度的大小决定了离子挡件4阻挡离子5的能力，离子挡件4的延伸方向所在平面与离子5的运动轨迹呈一定角度设置，此时离子挡件4的延伸方向所在平面与离子5的运动轨迹之间的夹角大于0
°
小于180
°
，当离子挡件4的延伸方向所在平面与离子5的运动轨迹之间呈锐角或钝角设置时，离子挡件4可以阻挡部分离子5，但当离子挡件4的延伸方向所在平面与离子5的运动轨迹垂直时，离子挡件4则可以完全阻挡离子挡件4放置位置的全部离子5，因此，离子挡件4的延伸方向所在平面与离子5的运动轨迹垂直。
55.同理地，如图2所示，离子挡件4用于阻挡部分离子5，且在离子源2和接收器3之间可设置多个离子挡件4，由于在离子源2和接收器3之间需要设置多个离子挡件4，因此，对离子5挡件的材料选取首先要满足可以阻挡离子5，其次制作离子挡件4的材料成本较低，易于获得，且易于加工，为此，本技术提供了一种优选方案，选取石墨作为制作离子挡件4的材料。
56.示例地，参照图2，在真空室1中可开设有观察窗，观察窗用于观察接收器3处接收到离子5形成的像，在真空室中可开设观察窗，观察窗可设置在真空室1内方便观察离子5运动轨迹的任意位置，可实时的观察了解离子5的运动轨迹和运动过程，也可在真空室1内设置多个观察窗，多个观察窗可根据离子挡件4的位置设置在多个离子挡件4的周围，这样方便操作人员根据观察到接收器3处接收到离子5形成的像实时调整离子挡件4与离子5的运动轨迹之间的夹角，可进一步的提高同位素的丰度。
57.对以上提到的图1、图2、图3和图4作以简要说明，以上所有图中实线均代表离子5的运动轨迹，虚线则代表通过离子挡件4阻挡的部分离子5。
58.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。