О механизме сепарации ионов плазмы, инжектируемой в скрещенные Е×Н поля

Обсуждаются физические механизмы сепарации ионов плазмы по массам в скрещенных Е×Н полях. Подробно анализируется механизм разделения за счет различной дрейфовой динамики ионов и комментируется другой механизм разделения за счет развития ионно-циклотронной неустойчивости и нагрева в ее полях выбранно...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Вопросы атомной науки и техники
Date:2012
Main Author: Онищенко, И.Н.
Format: Article
Language:Russian
Published: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2012
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108899
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:О механизме сепарации ионов плазмы, инжектируемой в скрещенные Е×Н поля / И.Н. Онищенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 108-111. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-108899
record_format dspace
spelling Онищенко, И.Н.
2016-11-16T20:50:22Z
2016-11-16T20:50:22Z
2012
О механизме сепарации ионов плазмы, инжектируемой в скрещенные Е×Н поля / И.Н. Онищенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 108-111. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
1562-6016
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108899
533.9
Обсуждаются физические механизмы сепарации ионов плазмы по массам в скрещенных Е×Н полях. Подробно анализируется механизм разделения за счет различной дрейфовой динамики ионов и комментируется другой механизм разделения за счет развития ионно-циклотронной неустойчивости и нагрева в ее полях выбранной ионной компоненты.
The physical mechanisms of mass separation of plasma ions in crossed E×H fields are considered. Separation mechanism owing to the different drift dynamics of ions is analyzed in detail and the other mechnism owing to the development of ion-cyclotron instability and the heating of the chosen ion component in its fields is commented.
Обговорюються фізичні механізми сепарації іонів плазми за масами в схрещених Е×Н полях. Детально аналізується механізм розділення за рахунок різної дрейфової динаміки іонів і коментується інший механізм розділення за рахунок розвитку іонно-циклотронної нестійкості і нагрівання в її полях вибраної іонної компоненти.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Динамика пучков
О механизме сепарации ионов плазмы, инжектируемой в скрещенные Е×Н поля
To the mechanism of ion separation in plasma injected in crossed Е×Н fields
Щодо механізму сепарації іонів плазми, інжектованої у схрещені Е×Н поля
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title О механизме сепарации ионов плазмы, инжектируемой в скрещенные Е×Н поля
spellingShingle О механизме сепарации ионов плазмы, инжектируемой в скрещенные Е×Н поля
Онищенко, И.Н.
Динамика пучков
title_short О механизме сепарации ионов плазмы, инжектируемой в скрещенные Е×Н поля
title_full О механизме сепарации ионов плазмы, инжектируемой в скрещенные Е×Н поля
title_fullStr О механизме сепарации ионов плазмы, инжектируемой в скрещенные Е×Н поля
title_full_unstemmed О механизме сепарации ионов плазмы, инжектируемой в скрещенные Е×Н поля
title_sort о механизме сепарации ионов плазмы, инжектируемой в скрещенные е×н поля
author Онищенко, И.Н.
author_facet Онищенко, И.Н.
topic Динамика пучков
topic_facet Динамика пучков
publishDate 2012
language Russian
container_title Вопросы атомной науки и техники
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
format Article
title_alt To the mechanism of ion separation in plasma injected in crossed Е×Н fields
Щодо механізму сепарації іонів плазми, інжектованої у схрещені Е×Н поля
description Обсуждаются физические механизмы сепарации ионов плазмы по массам в скрещенных Е×Н полях. Подробно анализируется механизм разделения за счет различной дрейфовой динамики ионов и комментируется другой механизм разделения за счет развития ионно-циклотронной неустойчивости и нагрева в ее полях выбранной ионной компоненты. The physical mechanisms of mass separation of plasma ions in crossed E×H fields are considered. Separation mechanism owing to the different drift dynamics of ions is analyzed in detail and the other mechnism owing to the development of ion-cyclotron instability and the heating of the chosen ion component in its fields is commented. Обговорюються фізичні механізми сепарації іонів плазми за масами в схрещених Е×Н полях. Детально аналізується механізм розділення за рахунок різної дрейфової динаміки іонів і коментується інший механізм розділення за рахунок розвитку іонно-циклотронної нестійкості і нагрівання в її полях вибраної іонної компоненти.
issn 1562-6016
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/108899
citation_txt О механизме сепарации ионов плазмы, инжектируемой в скрещенные Е×Н поля / И.Н. Онищенко // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 4. — С. 108-111. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT oniŝenkoin omehanizmeseparaciiionovplazmyinžektiruemoivskreŝennyeenpolâ
AT oniŝenkoin tothemechanismofionseparationinplasmainjectedincrossedenfields
AT oniŝenkoin ŝodomehanízmuseparacíííonívplazmiínžektovanoíushreŝeníenpolâ
first_indexed 2025-11-26T02:56:20Z
last_indexed 2025-11-26T02:56:20Z
_version_ 1850609491440041984
fulltext ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 108 УДК 533.9 О МЕХАНИЗМЕ СЕПАРАЦИИ ИОНОВ ПЛАЗМЫ, ИНЖЕКТИРУЕМОЙ В СКРЕЩЕННЫЕ Е×Н ПОЛЯ И.Н. Онищенко Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина E-mail: onish@kipt.kharkov.ua Обсуждаются физические механизмы сепарации ионов плазмы по массам в скрещенных Е×Н полях. Подробно анализируется механизм разделения за счет различной дрейфовой динамики ионов и комменти- руется другой механизм разделения за счет развития ионно-циклотронной неустойчивости и нагрева в ее полях выбранной ионной компоненты. ВВЕДЕНИЕ Проблема магнитного разделения изотопов в рам- ках Атомного проекта [1] была поручена тогдашнему УФТИ еще в 1944 году. В записке И.В. Курчатов Л.В. Берии об ученых, привлечение которых необхо- димо для работ по урановой проблеме, писал: «…Мне представляется, однако, желательным более широкое привлечение профессора Синельникова и профессора Вальтера к решению проблемы урана. Им могла бы быть поручена задача выделения урана-235 магнитным способом, который может оказаться весьма перспективным и работа над которым нахо- дится у нас в зачаточном состоянии». Однако среди всех предложенных вариантов электромагнитного разделения изотопов и элементов по массам до сих пор не достигнут требуемый успех. Одной из причин этого является низкая производительность превраще- ния разделяемого вещества в плазму и экстракции из нее значительных токов ионов. Немалые надежды возлагаются на разделение ионов по массам непо- средственно в плазме с использованием ионно- циклотронного нагрева нужного сорта ионов [2]. Другая привлекательная возможность сепарации ио- нов по массам возникает при инжекции плазмы большой плотности (для увеличения производитель- ности сепаратора) в скрещенные Еr×Hz поля [3-5]. Заметим, что проблема введения электрического поля в замагниченную плазму решена в магнитоплазмен- ной оптике [6]. В этом подходе существует два вари- анта − за счет пропускания радиальных токов Jr в слабоионизованной плазме, приводя ее во вращение в продольном магнитном поле Hz силой Ампера Jr×Hz, и реализации плазменной центрифуги с боль- шим числом оборотов в секунду. Второй вариант рассмотрен в настоящей статье и относится к про- дольной инжекции полностью ионизированной плазмы в скрещенные Е×Н поля. Эксперименты с этим вариантом проведены в США [3], СССР [4] и сейчас проводятся в ННЦ ХФТИ [5]. Физический механизм сепарации в этом методе имеет одно тол- кование в [3] – разделение за счет различной дрей- фовой динамики ионов, и другое в [4] и [5] – разде- ление за счет развития ионно-циклотронной неус- тойчивости и нагрева в ее полях выбранной специи ионов. Соответственно оформлены 2 разных патента с отличающимися механизмами сепарации в одном и том же явлении, что порождает необходимость выяснить их правильность. Ниже проведен анализ обеих механизмов на предмет соответствия их ис- следуемому явлению. 1. ПЛОСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ Движение иона с массой М и зарядом е в скре- щенных Ey×Hz полях описывается уравнениями движения [7]: =&& & z eMx yH c , = −&& &y z eMy eE xH c . (1) Интегрируя их с нулевыми начальными усло- виями 0= =& &x y при t=0, получаем траекторию иона: cos ,= +& y H z E x a t c H ω sin= −& Hy a tω , (sin ),= −H H H ax t tω ω ω (cos 1),H H ay tω ω = − (2) = − y z E a c H , z H eH Mc ω = . Для начальных условий , 0 0y drift z E x c v y t H = = = =& & , т.е. инжекция иона в скрещенные Ey×Hz поля по х со скоростью v0=νdrift=сEy/Hz обеспечивает равновесие сил ,E HF F= т.е. ,drift y v eE e H c = и движение иона происходит по прямолинейной траектории (Брил- люэновский режим [8]): , 0y z E x c t y H = = . (3). Для других начальных условий ион движется по циклоиде (2), состоящей из дрейфового равномерно- го движения вдоль х с дрейфовой скоростью = y drift z E v c H и ларморовского вращения в плоскости (x,y) (с = drift L H v r ω в системе координат, движущейся со скоростью v0=νdrift). Амплитуда циклоиды, 2 max 22 2 ,drift y H z v c E y M eHω = = (4) зависит от массы заряда, что в принципе уже позво- ляет использовать такую динамику ионов в скре- щенных Ey×Hz полях для пространственного разде- ления изотопов и элементов по массам. Для выбран- ных величин полей Ey и Hz ионы с массой М выса- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 109 дятся на электродах, если ymax превысит расстояние между электродами, ионы с меньшими массами пройдут по х на торцевой электрод. 2. ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ Для цилиндрической геометрии, обычно исполь- зуемой в экспериментах, дрейф иона происходит вокруг аксиальной оси, на который накладывается его ларморовское вращение. В отличие от плоской геометрии в неинерциальной системе отсчета, вра- щающейся вокруг аксиальной оси с дрейфовой ско- ростью иона, дополнительно возникает центробеж- ная сила. «Изогнутая» циклоида, называемая эпи- циклоидой, по которой движется ион в скрещенных Er×Hz полях, описывается системой уравнений дви- жения иона в цилиндрической системе координат (r,φ,z) [9], имеющей для иона вид: 2 ( ) ( )r z v eM r eE r v H r c ϕ ϕ− = −&& , 21 ( ) r z eM r v H r t c ϕ∂ = ∂ & , (5) 0Mz =&& . Интегрирование этой системы уравнений опре- деляет траекторию иона (эпициклоиду), которая представлена на Рис.1. На плоскости (x,y) она опи- сывается выражениями: (5) и является траекторией точки черной окружности ра- диуса r, которая катится по другой окружности радиу- са R. Коэффициент k=R/r определяет форму эпицик- лоиды (k=1 − кардиоида, k=2 − нефроида и др.). Рис.1. Траектория заряда в скрещенных Er×Hφ полях Рис.2. Тип траекторий иона для различных k Зависимость амплитуды эпициклоиды от вели- чины электрического и магнитного полей использу- ется для магнитного запирания тока в магнетронах и магнитоизолированных диодах. Зависимость амплитуды эпициклоиды от массы заряженной частицы можно трактовать как разный нагрев частиц разных масс во внешних скрещенных Er×Hz полях, что позволяет осуществить разделение частиц по массам. Это использовалось для разра- ботки коаксиального масс-анализатора массового состава плазменных сгустков, эжектируемых плаз- менными пушками [10]. В этом устройстве наблю- далось развитие неустойчивостей, приводящее к возбуждению широкого спектра колебаний, заметно влияющих на процесс анализа массового состава сгустков. В [4,5] возникающие неустойчивости в плазме, находящейся в скрещенных Er×Hz полях, рассматриваются как источники нагрева выделенно- го сорта ионов, предназначенного для последующей сепарации. 3. МЕХАНИЗМ СЕПАРАЦИИ ИОНОВ В СКРЕЩЕННЫХ ПОЛЯХ Система уравнений (5) допускает стационарное (∂/∂t = 0), не зависящее от угла (∂/∂ϕ = 0), равновес- ное круговое движение иона вокруг аксиальной оси цилиндрической системы, для которого vr=0. Из первого уравнения системы (5), как это сделано для поведения электронного столба во внешнем про- дольном магнитном и радиальном электрических полях объемного заряда столба [9,11], получаем ус- ловие, при котором r=Сonst и которое является ус- ловием баланса трех сил – центробежной, электри- ческой и магнитной: 2 0r z v eM eE v H r c ϕ ϕ± − = . (6) В уравнении (6) знак внешнего поля Er выберем, например, таким, чтобы центробежная и электриче- ская силы компенсировались Лоренцовой силой магнитного поля цб E HF F F+ = , т.е. 2 .r z v eM eE v H r c ϕ ϕ+ = (7) Вводя угловую скорость вращения иона вокруг аксиальной оси, rot v r ϕω = , выражение (7) можно переписать в виде 2 0r rot H rot eE Mr ω ω ω− + = . (8) Из этого уравнения находим две частоты ста- ционарного равновесного кругового вращения иона в скрещенных Er×Hz полях вокруг аксиальной оси цилиндрической системы, 2 2 41 1 2 H r rot z Mc E reH ωω± ⎛ ⎞ = ± −⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠ , (9) для реализации которых необходимо задать началь- ную азимутальную скорость 0 rotv rϕ ω+ += или 0 rotv rϕ ω− −= соответственно. Такая возможность воз- никает при инжекции плазмы в магнитное поле при ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 110 наличии резкого скачка Hz, как и в случае Бриллю- эновского режима [12] при инжекции цилиндриче- ского электронного потока в магнитное поле. На Рис.3,а приведена зависимость двух частот равновесного вращения («быстрого» rotω+ и «мед- ленного» rotω÷ ) иона в скрещенных Er×Hz полях от параметра 2 2 4 r z Mc E reH . а б Рис.3 При Er=0, 0rotrot Hω ω ω+ −= = , т.е. имеется только круговое вращение ионов вокруг аксиальной оси с циклотронной частотой. При 2 2 4 1r z Mc E reH p , rot r rot H z Ec r H ω ω ω+ −p f , т.е. воз- можны две разные частоты равновесного вращения вокруг аксиальной оси – быстрого, с частотой меньшей циклотронной, и медленного, с частотой большей частоты дрейфового вращения. При 2 2 4 1r z Mc E reH = 2 H rot rot ωω ω+ −= = , т.е. обе час- тоты совпадают и равняются половине циклотрон- ной. Если Er ∼ r, то ионы с массой М плазменного столба вращаются как целое с одинаковой частотой, равной ωH / 2 (т.н. Бриллюэновский режим [12]). При 2 2 4 1r z Mc E reH f частота вращения мнимая, т.е. ионы не удерживаются магнитным полем (незамаг- ничены) и расширяются в радиальном направлении. На Рис.3,б показаны зависимости частот равно- весного вращения вокруг общей аксиальной оси ионов трех различных масс от величины электриче- ского поля при заданных радиусе и величине маг- нитного поля. Видно, что выбором электрического поля, E3<E2=Er crit<E1, при фиксированных остальных величинах параметра 2 2 4 r z Mc E reH , можно разделить ионы на две группы – «легкие» с M<М2, к примеру М1, замагниченные и двигающиеся на торцевой электрод, и «тяжелые» с М≥М2, к примеру М2 и М3, незамагниченные и расширяющиеся по радиусу на цилиндрический электрод. Сепарирующую роль может выполнять также вариация величины магнитного поля Hz или радиуса r равновесного вращения. В эксперименте [3] для разделения ионов по массам в скрещенных Er×Hz полях использована указанная возможность разде- ления ионов на две группы − замагниченную и удерживаемую магнитным полем и незамагничен- ную и уходящую на периферию − заданием величин полей Er и Hz такими, чтобы равновесный радиус вращения ионов равнялся радиусу цилиндрической камеры R. Заданием параметров сепарирующего устройства – R, Er, и Hz – всегда можно выбрать кри- тическую массу Mcrit, 2 24 = z crit r ReHM c E , (10) такой, что все ионы с массой М> Mcrit окажутся неза- магниченными и будут выброшены на внешний ци- линдрический электрод, тогда как ионы с М≤Mcrit уй- дут вдоль магнитного поля на торцевой электрод. При этом ионы с М = Mcrit будут вращаться по равновесной окружности (аналог Бриллюэновского режима). Рассмотренный механизм сепарации возможен только при наличии стационарных круговых враще- ний ионов вокруг общей аксиальной оси, которые, однако, реализуются лишь при начальных условиях, приведенных выше. Если возмутить движение элек- трона, вращающегося c угловой скоростью ω- rot по равновесной круговой орбите радиуса r с центром на аксиальной оси, то, как показано в [11], во вра- щающейся системе координат его движение будет круговым с частотой вращения Ω=ω+ rot - ω- rot. В ла- бораторной системе координат траектория иона описывается эпициклоидой со средней круговой частотой вращения ω- rot вокруг аксиальной оси. В общем случае при других начальных условиях, (например, в экспериментах [3,5] при инжекции плазмы в область скрещенных Er×Hz полей началь- ные условия vφ0=vr0=0), как показано выше, дрейфо- вое движение ионов происходит по некруговым тра- екториям – по эпициклоидам. В этом случае меха- низм сепарации основывается на разных амплитудах эпициклоид для разных масс ионов. Все сорта ионов в скрещенных Er×Hz полях приобретают одинако- вую дрейфовую скорость vdrift=cEr/Hz, а их лармо- ровский радиус, r=vdrift/ωН, зависит от массы ионов. Тяжелые ионы, как и в плоском случае, имея боль- ший ларморовский радиус и проходя большую раз- ность потенциалов, набирают большую энергию (сильнее «нагреваются»), чем легкие ионы. В ре- зультате, амплитуда эпициклоид тяжелых ионов оказывается большей по сравнению с легкими ио- нами. Эта ситуация с разными орбитами для разных масс позволяет находить технические решения для их разделения – тяжелые ионы легче выводить на периферийные электроды, а легкие – на торцевые. Рассмотренные механизмы [4,5] не учитывались, а ответственным за разделение по массам считается механизм, основанный на развитии ионно- циклотронной неустойчивости в плазме со скре- щенными Er×Hz полями, нагреве в ее полях сепари- руемого сорта ионов и его разделение с остальными ионами. При этом необходимым условием развития ионно-циклотронной неустойчивости является ра- венство циклотронной частоты иона и частоты его дрейфового вращения вокруг аксиальной оси, что, согласно изложенному выше, никогда не выполня- ется. Кроме того, необходимо знание топографии возбуждаемых полей неустойчивости и динамики сепарируемых ионов для рассмотрения элементар- ных механизмов энергообмена ионов и возбужден- ных полей неустойчивости как при развитии неус- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №4(80) 111 тойчивости, так и при нагреве ионов. В этой связи первый из рассмотренных механизмов сепарации представляется более предпочтительным. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Атомный проект СССР: Документы и материа- лы. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ. 1999, 719 c. 2. J.M. Dawson, Н.С. Kim, D. Arnush, et al. Isotope separation in plasma by use of ion cyclotron reso- nance // Phys. Rev. Lett. 1976, v.37, р.1547-1550. 3. A. Litvak, S. Agnew, F. Anderegg, et al. Archimedes Plasma Mass Filter // 30-th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys. St. Petersburg (Russia), 2003, v.27A, p.O-1.6A 4. В.В. Власов, И.И. Залюбовский, Ю.А. Кирочкин и др. Пространственное распределение и вывод ион- ных компонентов вращающейся плазмы при разви- тии резонансной циклотронной неустойчивости // Письма в ЖЭТФ. 1978, т.27, №5, с.264-267. 5. Ю.В. Ковтун, Е.И. Скибенко, В.Б. Юферов. Сис- темы с самовозбуждением ВЧ-колебаний для создания, нагрева и сепарации многокомпонент- ной плазмы // Вісник Харківського університету. Серія фізична «Ядра, частинки, поля». 2008, №794, в.1(37), с.115-120. 6. А.И. Морозов. Фокусировка холодных квази- нейтральных пучков в электромагнитных полях // ДАН СРСР. 1965, т.163, №1, с.1363-1366. 7. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теория поля. М.: «Наука», 1973, с.80-81. 8. L. Brillouin. Electronic theory of the plane magne- tron // Advances in Electronics. Ed. by L. Marton. 1951, v.3, р.85-144. 9. Н. Кролл, А. Трайвелпис. Основы физики плаз- мы. Москва: «Наука», 1975, с.100-102. 10. И.Н. Онищенко. Исследования плазменных сгу- стков. Киев: «Наукова думка», 1967, с.172-179. 11. Р. Девидсон. Теория заряженной плазмы. М.: «Мир». 1978, с.17-23. 12. L. Brillouin. A theorem of Larmor and its impor- tance for electrons in magnetic fields // Phys. Rev. 1945, v.67, p.260-265. Статья поступила в редакцию 21.10.2011 г. TO THE MECHANISM OF ION SEPARATION IN PLASMA INJECTED IN CROSSED E×H FIELDS I.N. Onishchenko The physical mechanisms of mass separation of plasma ions in crossed E×H fields are considered. Separation mechanism owing to the different drift dynamics of ions is analyzed in detail and the other mechnism owing to the development of ion-cyclotron instability and the heating of the chosen ion component in its fields is commented. ЩОДО МЕХАНІЗМУ СЕПАРАЦІЇ ІОНІВ ПЛАЗМИ, ІНЖЕКТОВАНОЇ У СХРЕЩЕНІ Е×Н ПОЛЯ І.М. Оніщенко Обговорюються фізичні механізми сепарації іонів плазми за масами в схрещених Е×Н полях. Детально аналізується механізм розділення за рахунок різної дрейфової динаміки іонів і коментується інший механізм розділення за рахунок розвитку іонно-циклотронної нестійкості і нагрівання в її полях вибраної іонної ком- поненти.