本實用新型屬于同位素電磁分離器技術(shù)領域，具體涉及一種同位素電磁分離器用離子源的氣化放電裝置。

背景技術(shù)：

電磁分離方法在同位素分離領域具有不可或缺的地位，電磁分離法是利用能量相同、質(zhì)量不同的離子在橫向磁場中旋轉(zhuǎn)半徑不同實現(xiàn)同位素分離的。同位素電磁分離器就是采用電磁分離方法分離得到同位素的設備。待分離的離子束從同位素電磁分離器的離子源中射出，經(jīng)同位素電磁分離器中的磁場分離，再被接收裝置接收，完成同位素的分離工作。

電磁分離方法是獲得星載銣鐘所需的高豐度的銣同位素、微型鎳電池核心材料高豐度的62Ni、高精度堿金屬磁力儀核心材料高豐度K等同位素唯一可行的方法,離子源是同位素電磁分離器中的重要部件，用于產(chǎn)生離子束。根據(jù)實際應用中流強的大小與離子種類等要求，離子源具有不同的結(jié)構(gòu)。在同位素電磁分離器上我們要求離子束有較強的流強，而且要求元素種類較多。強流離子源往往是等離子體型離子源，通過氣體放電產(chǎn)生高濃度的離子。目前，該類型的離子源有空心陰極離子源、電子回旋共振離子源、Nielsen離子源、Calutron離子源、Freeman離子源等。對于180°同位素電磁分離器，離子源必須放置在磁場中。其中磁力線與離子束引出方向垂直，并且要求能散度低。綜合這些考慮，只有Calutron離子源比較適合180°同位素電磁分離器。一直以來，同位素電磁分離器使用的離子源為Calutron型，早期用于分離鈾235，后用于分離其他同位素。

Calutron型離子源能產(chǎn)生大部分元素的離子，束流大，聚焦好，能在強電磁場、高真空、高溫度、帶電離子轟擊和腐蝕氣體包圍下，可靠長期進行。美國與俄羅斯是電磁同位素分離大國，最早使用電磁分離法分離同位素，因此，他們所使用的電磁分離器型離子源代表了先進的水平。

我們自行設計制造的同位素電磁分離器用離子源在結(jié)構(gòu)上與美國和俄羅斯的離子源也有所不同，本實用新型中的離子源用于強流離子束的產(chǎn)生。在Calutron離子源中，坩堝和弧放電室是離子源的氣化放電裝置，固態(tài)原料在坩堝中被加熱氣化成飽和蒸汽，通過分配板后進入到弧放電室，被電子束電離成等離子狀態(tài)并引出形成離子束。

離子源設置在同位素電磁分離器的真空室中，在離子源的工作中，氣化放電裝置的氣密性是非常重要的一個特性。當氣密性不好時，往往會造成很多問題。首先，氣密性差會造成離子源內(nèi)局部真空度下降，嚴重時可比真空室內(nèi)低10-100倍。伴隨的現(xiàn)象是出現(xiàn)打火與暗電流。打火現(xiàn)象與暗電流對離子源的性能及束流品質(zhì)有不可忽視的影響。其次，氣密性的好壞直接影響離子源的流強。Calutron離子源提高流強的辦法主要是增加供氣量使放電更加充分。如果離子源氣密性不好，增加供氣量對提高流強的作用會被大大減弱。再次，氣密性差將大大增加離子源、真空室的污染程度，增加離子源與真空室的清洗頻率，提高成本。并且，離子源的原料貴重，較差的氣密性將造成較大的浪費及相關成本的升高。早期的同位素電磁分離器上，所采用的傳統(tǒng)的坩堝與弧放電室之間通過一個轉(zhuǎn)接頭連接，如圖10所示。傳統(tǒng)的弧放電室采用的是扣式結(jié)構(gòu)。實踐發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的坩堝與弧放電室的連接方式以及弧放電室的扣式結(jié)構(gòu)對離子源的氣密性有影響。傳統(tǒng)的坩堝與弧放電室的轉(zhuǎn)接頭口徑小，而內(nèi)螺紋口徑大。較小的轉(zhuǎn)接頭口徑使得供氣有明顯的氣阻，而較大的內(nèi)螺紋口徑具有較大的漏氣縫隙。傳統(tǒng)的弧放電室(扣式弧室)是兩部分組成，長時間工作下，弧放電室受熱不均勻等問題造成弧放電室膨脹不一，出現(xiàn)縫隙降低離子源的氣密性。這些問題導致了離子源內(nèi)的暗電流的增加、影響了工作物質(zhì)的蒸汽密度、浪費了昂貴的離子源原料，同時導致離子源受污染程度上升，清洗頻率增加，增加了使用成本。

針對上述問題，有必要設計氣密性更好的離子源用氣化放電裝置，提高同位素電磁分離器的工作效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對早期的同位素電磁分離器的離子源所存在的問題，本實用新型的目的是提供一種用于離子源的、氣密性好、并能保證離子源(Calutron型)長期穩(wěn)定運行的氣化放電裝置，實現(xiàn)同位素電磁分離器的同位素的穩(wěn)定分離，保證同位素的豐度。

為達到以上目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是一種同位素電磁分離器用離子源的氣化放電裝置，設置在同位素電磁分離器的離子源上，其中，包括弧放電室及與所述弧放電室后部相連的坩堝，設置在所述弧放電室頂部的陰極和燈絲，所述弧放電室、坩堝直接密封連接。

進一步，所述弧放電室包括設置在所述弧放電室后部、通過坩堝接口與所述坩堝連通的蒸汽分配室，設置在所述坩堝接口上的船形板，還包括通過蒸汽分配板與所述蒸汽分配室相隔離的放電室，所述放電室頂端設置有電子窗；所述陰極靠近所述電子窗，所述電子窗距離所述放電室的邊緣為0.5mm，所述陰極包括直熱式陰極和間熱式陰極兩種，所述直熱式陰極壽命大于24小時；所述弧放電室、坩堝之間的密封為端面密封。

進一步，所述蒸汽分配板通過設置在所述蒸汽分配室與所述放電室之間的分配板插槽設置在所述弧放電室內(nèi)部。

更進一步，所述分配板插槽為3mm深的60°燕尾槽。

進一步，所述電子窗通過所述放電室頂端的電子窗插槽設置在所述放電室上。

更進一步，所述電子窗插槽為3mm深的60°燕尾槽。

進一步，所述放電室上還能夠設置所述離子源的引出縫電極，所述引出縫電極設置在引出縫面板上，所述引出縫面板設置在所述放電室前部。

進一步，所述引出縫面板通過設置在所述放電室前部的引出縫面板插槽設置在所述放電室前部。

更進一步，所述引出縫面板插槽為3mm深的60°燕尾槽。

進一步，所述弧放電室、坩堝采用高純石墨或不銹鋼制作。

本實用新型的有益效果在于：

本實用新型通過對弧放電室與坩堝接口及引出縫的氣密性設計，提高氣密性，使得暗電流減小(小于10mA左右，傳統(tǒng)的弧放電室與坩堝中為20mA左右)，離子源的打火頻次下降，引出的離子束流的流強增大，減少了離子源的受污染程度和離子源的清洗頻率，節(jié)約了寶貴的離子源原料，提高離子源原料的利用率(原料的使用時間提高2％-5％)，保證了離子源長時間穩(wěn)定工作。

附圖說明

圖1是本實用新型具體實施方式中所述離子源的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；

圖2是本實用新型具體實施方式中所述離子源的結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖3是本實用新型具體實施方式中所述弧放電室與所述坩堝的連接示意圖

圖4是本實用新型具體實施方式中所述弧放電室與所述坩堝的連接結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖5是本實用新型具體實施方式中所述弧放電室的俯視剖視圖；

圖6是本實用新型具體實施方式中所述坩堝的示意圖；

圖7是本實用新型具體實施方式中所述弧放電室的前視圖；

圖8是本實用新型具體實施方式中所述弧放電室的B-B剖視圖；

圖9是本實用新型具體實施方式中所述弧放電室的C向視圖；

圖10是本實用新型背景技術(shù)中所述傳統(tǒng)坩堝的示意圖；

圖中：1-接地電極，2-聚焦電極，3-引出縫電極，4-燈絲，5-陰極，6-電子窗，7-蒸汽分配室，8-坩堝，9-熱反射屏，10-坩堝加熱爐筒，11-第三引出縫，12-第二引出縫，13-第一引出縫，14-放電室，15-弧放電室，16-坩堝口密封細螺紋，17-前端絕緣環(huán)安裝螺紋，18-裝料室，19-尾端絕緣環(huán)安裝螺紋，20-電子窗插槽，21-引出縫面板插槽，22-分配板插槽，23-坩堝接口，24-船形板，25-固定座，26-螺釘，27-坩堝前端絕緣環(huán)，28-坩堝尾端絕緣環(huán)，29-供電接頭，30-蒸汽分配板，31-轉(zhuǎn)接頭，32-引出縫面板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步描述。

離子源作為產(chǎn)生離子束流的裝置，如圖1、圖2所示，其工作原理為：RbC1裝在坩堝8中，經(jīng)坩堝加熱爐筒10加熱氣化后，通過蒸汽分配室7(即船形板)和蒸汽分配板30進入放電室14的放電區(qū)；加熱的燈絲4發(fā)射電子轟擊陰極5，陰極5發(fā)射的電子被電場加速和磁場約束，穿過電子窗6進入放電室14并與RbC1的氣體分子發(fā)生碰撞電離，形成弧放電等離子體；弧放電等離子體經(jīng)引出電極系統(tǒng)引出，形成具有一定能量和形狀的離子束。

如圖3、圖4所示，本實用新型提供的一種同位素電磁分離器用離子源的氣化放電裝置包括弧放電室15(弧放電室15是一個整體的凹槽)，以及與弧放電室15后部相連的坩堝8，設置在弧放電室15一側(cè)的陰極5和燈絲4，其中弧放電室15、坩堝8直接密封連接(兩者之間采用端面密封)。與傳統(tǒng)的坩堝需要轉(zhuǎn)接頭31連接的方式相比(見圖10)，坩堝8與弧放電室15直接連接，增強了坩堝8與弧放電室15之間的氣密性，供氣的氣阻降低，能夠保持坩堝8中的工作物質(zhì)(即離子源原料)的蒸汽密度，保證了后續(xù)產(chǎn)生的等離子體的濃度。在本實施例中，弧放電室15的外形尺寸為36mm×41mm×220mm；坩堝8的安裝口(與弧放電室15的連接部分)內(nèi)徑Φ18mm，外徑M24mm，有長8mm的外螺紋，安裝口的總長為10mm；坩堝8內(nèi)部的裝料室18的容積能夠保證同位素電磁分離器一次工作100h左右。

如圖4、圖5、圖7、圖8所示，弧放電室15包括設置在弧放電室15 后部、通過坩堝接口23與坩堝8連通的蒸汽分配室7，設置在坩堝接口23上的船形板24，還包括通過蒸汽分配板30與蒸汽分配室7相隔離的放電室14，還包括設置在弧放電室15后部、與放電室14連通的引出電極，放電室14頂端設置有電子窗6，陰極5靠近電子窗6，電子窗6距離放電室14的邊緣為0.5mm，陰極5包括直熱式陰極和間熱式陰極兩種，其中直熱式陰極壽命大于24小時。在本實施例中，弧放電室15與坩堝8的坩堝接口23為直徑24mm的細螺紋口，深13mm；放電室14尺寸為20mm×8mm×212mm。

如圖4、圖5、圖8、圖9所示，蒸汽分配板30通過設置在蒸汽分配室7與放電室14之間的分配板插槽22設置在弧放電室15內(nèi)部(即蒸汽分配板30安裝在分配板插槽22中)；并將蒸汽分配室7與放電室14隔開。蒸汽分配板30和船形板24的作用是使進入放電室14的氣體分子在縱向上均勻分布，使弧放電等離子體在縱向上均勻分布。分配板插槽22為3mm深的燕尾槽。

如圖1、圖2所示，離子源上設有用于引出離子束的引出電極，引出電極為三電極結(jié)構(gòu)，第一電極為引出縫電極3，第二電極為聚焦電極2，第三電極為接地電極1，這三個電極從放電室14向外按照“引出縫電極3、聚焦電極2、接地電極1”的順序依次設置；每個電極上都設有相應的引出縫，以便離子束流的引出。其中，如圖4、圖5、圖7、圖8、圖9所示，引出縫電極3設置在引出縫面板32上，引出縫面板32通過設置在放電室14前部的引出縫面板插槽21設置在放電室14上。引出縫面板插槽21為3mm深的燕尾槽。在本實施例中，引出縫面板32寬28mm，厚3mm，長度為217mm。

如圖4、圖7、圖8、圖9所示，電子窗6通過放電室14頂端的電子窗插槽20設置在放電室14上，電子窗插槽20為深3mm的60°燕尾槽。

如圖4、圖5、圖8所示，傳統(tǒng)的弧放電室采用扣押式密封形式，放電室和蒸汽分配室是兩個部分，本實用新型所提供的弧放電室15采用插板(配合插槽)的方式，將放電室14和蒸汽分配室7制成一個整體，提高了弧放電室15的氣密性，減少了暗電流的產(chǎn)生，

如圖6所示，在本實施例中，坩堝8為圓筒狀，前端和尾端均設有M30的外螺紋(分別為前端絕緣環(huán)安裝螺紋17、尾端絕緣環(huán)安裝螺紋19)，螺紋長15mm-16mm，用于安裝作為絕緣支撐的陶瓷套筒。

弧放電室15、坩堝8采用高純石墨或不銹鋼制作。坩堝加熱爐筒10采用不銹鋼材料制作時，是由兩層不銹鋼薄壁(0.1～0.2mm厚)圓筒焊接成。上述部件采用不銹鋼制作的優(yōu)點是壽命長，但加工困難、造價高，因此在本實施例中，均采用高純石墨制作，其中坩堝8工作溫度不低于800℃，加熱功率為200A×20V。

本實用新型所述的裝置并不限于具體實施方式中所述的實施例，本領域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案得出其他的實施方式，同樣屬于本實用新型的技術(shù)創(chuàng)新范圍。