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1、在薄片等离子体中用离子回旋共振加热进行同位素分离的…/砌私憩在薄片等离子体中用离子回旋共振-/2氯行商位素分概念丁野口(T,Noguc~i)等着刘赓胥译求'本文描述了分离同位素一种新方法的概念,这种新方法就是薄片等离子体方法.这种方法的特点是在特种磁化的等离子体(薄片等离子体)中进行同位素分离,在这种等离子体中用离子回旋共振加热有选择性地向所希望分离的同位素离子提供能量.由于薄片等离子体的极好的特.a.-.---(i)所有回旋离子的导向中心都位于等离子体中平面附近和(ii)等离子体厚度很薄,仅两倍于离子拉莫尔半径的
2、平均值一这就有可能很有效地分离同位素.1.号I言,等离子体的离子回旋共振加热(ICRH)可以用来分离质量差AM/~~小的同位索'I.2).第一次证明这种概念的成功实验是由名古屋等离子体物理研究所的高山(Takayama)和他的同事们完成的{¨.他们在一个线会切装置上有杂质的氦等离子体中观察到了质量分离效应.道森(Dawson)等人在汇集到冷钨带上的钾样品中观察到●tK的富集,在大截面的柱状等离子体中通过ICRH有选择地加热¨K离子后,通过在2囝l薄片等离子体示意图.也示出了与薄片等离子体有关的等离子体空间电位的分布
3、.l——薄片等离子体I2——位阱;3——离子导向中心区域I4——离子轨道.●冷的钨带上加负缡压而收集这些高能离?子.但是,当等离子体密度增加致使收集的所希望的同位素的总量也增加时,由于带电粒子问的碰撞效应抑制了所希望分离的同位素离子的加热,结果使分离效率明显下降.为了解决这个问题,高山提出了在薄片等离子体中用ICRH进行同位素分离,这种薄片等离子体是一种强磁化高电离的片状等离子体(.根据定义,薄片等离子体应有如下特点t(i)所有回旋离子的导向中心都位于等离子体的.中平面附近,(ii)在与均匀本底的直流磁场垂直的方向
4、上等离子体厚度很薄,仅两倍于离子拉莫尔半径的平均值(见图1)?78由于这些特点,在薄片等离子体中的高能离子在每一次回旋中只短暂地横过稠密的等蓠子体区.因此,碰撞对用ICRH分离同位素的不利影响可小到忽略不计.我们把这种新的同位素分离技术称作薄片等离子体方法.'..我们在本文中所描述的薄片等离子体方法着重于它对同位素分离的高效率.一:一2.用予向位素分■的薄片等离子体方法的原理●图2是用于同位素分离的薄片等离子体方法示意图.在两个平行的射频电极之间可以.—日======≈U3R5图2同位素分离的薄片等离子体方法.这里
5、示出了两种枝恭l(a)能够沉积在材料表面上的原子,B,K,Cl和Ul(b)不容易被材料表面吸收的原子,Ne,Ar和Xe.希望分离的同位素离子被收集在fa中的射频电极,而在(b)中它们被差级抽气抽走,再由低温收集器所收集.在(a)和(b)中示出典型的共振离子的轨道,为避免混淆,图中没有示出非共振离子的轨道.(a):l——薄片等离子体流;2——一个共振离子的轨道;3——非共振离子;4一希望分离的同位素样品.(b):1一薄片等离子体流,2,一个共振离子的轨道,3一射频电极;4一射频振荡器;5一泵和低温收集器l6——非共振
6、离子;7一分离器.5图3具有多个薄片等离子体的用于同位素分离的薄片等离子体方法示意图.热电子发射体的目的,是为了在同位素分离用的等离子体中获得最佳的等离子体空间电位分布(见本文的第3节)ol——薄片等离子体,2——等离子体产生区域l3一热电子发射体,4～射频电极l5射频振荡器.流动薄片等离子体.选择外加的射频电场的频率与待分离的同位素离子(或共振离子)的频率相匹配.当共振离子通过射频电场的区域时,共振离子的拉莫尔半径缓慢增加,回旋频率不同于射频电场频率的非共振离子的拉莫尔半径仍然比较小.共振离子的典型轨道在图2(1
7、8.)和2(b)示出.由于在射频电场的影响下,在薄片等离子体中的共振离子与非共振离子的轨道在空间上相互可以完全分开,所以共振离子和非共振离子能够单独收集.对于沉积在材料表面上本身的原子,比如B,K,Cl和U,对射频电极的长度和间距要选择●'':79孽b口v,,,If^/,得使共振离子能打在收集它们的射频电极上-而球共振离子直接通过射频电场(见图2(fl,)).不容易被材料表面吸收的原子,比如Ne,Ar和Xe,共振漓子和非共振离子可以用一组刚好位于射频电极之后的分离极板分开,如图2(b)所示.当共振离子打在分离极板的
8、外表面时,共振离子就被来自分离极板的捕获电子中性化.这些中性粒子被差级抽气抽惫接着被低温收集器收集..～.',总之,同位素分离的薄片等离子体方法有以下几个优点:Ji)由数值模拟可以证明,所希望分离的同位素几乎有可能全分离'';1(ii)只要各种原子能电离形成等离子体,就可能作到各种原予同位素分离;(iii)可以利用密度超过10¨厘米的等离子体,而不会降低,禹
