Использование электронных пучков для реализации сепарационных технологий на ионно-атомном уровне
Определены требования к источнику электронов для создания и нагрева многокомпонентной сепарационной плазмы. Предложены различные варианты катодов с большой эмитирующей поверхностью. Расчетным путем определены параметрические зависимости показателя поперечной энергии электронного пучка, инжектируемог...
Saved in:
| Date: | 2010 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15717 |
| 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: | Использование электронных пучков для реализации сепарационных технологий на ионно-атомном уровне / Е.И. Скибенко, Ю.В. Ковтун, А.М. Егоров, В.Б. Юферов // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 186-189. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860091889323081728 |
|---|---|
| author | Скибенко, Е.И. Ковтун, Ю.В. Егоров, А.М. Юферов, В.Б. |
| author_facet | Скибенко, Е.И. Ковтун, Ю.В. Егоров, А.М. Юферов, В.Б. |
| citation_txt | Использование электронных пучков для реализации сепарационных технологий на ионно-атомном уровне / Е.И. Скибенко, Ю.В. Ковтун, А.М. Егоров, В.Б. Юферов // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 186-189. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Определены требования к источнику электронов для создания и нагрева многокомпонентной сепарационной плазмы. Предложены различные варианты катодов с большой эмитирующей поверхностью. Расчетным путем определены параметрические зависимости показателя поперечной энергии электронного пучка, инжектируемого в продольное магнитное поле.
Визначено вимоги до джерела електронів для створення і нагрівання багатокомпонентної сепараційної плазми. Запропоновано різні варіанти катодів з великою емітуючою поверхнею. Розрахунковим шляхом визначено параметричні залежності показника поперечної енергії електронного пучка, що інжектується в поздовжне магнітне поле.
Requirements on the electron source for creating and heating a multicomponent separation plasma have been elaborated. Different variants of cathodes with a large emitting surface are proposed. Calculations have been made to determine parametric dependences of the transverse energy index of the electron beam injected into a longitudinal magnetic field.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:23:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 537.533.9
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ
СЕПАРАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ИОННО-АТОМНОМ
УРОВНЕ
Е.И. Скибенко, Ю.В. Ковтун, А.М. Егоров, В.Б. Юферов
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина
E-mail: Ykovtun@kipt.kharkov.ua
Определены требования к источнику электронов для создания и нагрева многокомпонентной сепараци-
онной плазмы. Предложены различные варианты катодов с большой эмитирующей поверхностью. Расчет-
ным путем определены параметрические зависимости показателя поперечной энергии электронного пучка,
инжектируемого в продольное магнитное поле.
Ранее в [1,2] впервые было высказано предложе-
ние о создании магнитоплазменного сепарирующего
устройства на основе пучково-плазменного разряда
(ППР). Проведенный анализ и оценки возможности
применения пучково-плазменного взаимодействия
(ППВ) для получения плазмы требуемых парамет-
ров для сепарационных устройств и технологий по-
казывают следующее:
1. Использование пучково-плазменного взаимо-
действия позволяет получать плазму требуемых па-
раметров (ne ~ ni ≥ 1012 см-3; Te ≥ 100 эВ; Ti ≥ 300 эВ)
в больших объемах сепарационных устройств.
2. Расчеты показывают, что эффективная длина
торможения первичного электронного пучка при
ППВ для названных параметров плазмы простирает-
ся от десятков сантиметров до нескольких метров
что, в принципе, соответствует линейным размерам
сепарационных устройств и укладывается в пределы
области разделения элементов или их изотопов.
3. Существенным преимуществом данного мето-
да создания плазмы является тот факт, что элек-
тронный пучок от внешнего источника (электрон-
ной пушки) в вакууме и продольном магнитном по-
ле распространяется практически без потерь на лю-
бые расстояния в пределах названых цифр, т.е.
плазма может быть образована в любой точке
транспортного тракта длиной в несколько метров, а
именно в зоне разделения.
4. Другим существенным достоинством данного
способа образования плазмы является тот факт, что
в массовом составе образуемой плазмы присутству-
ют только частицы (ионы, нейтралы) поданного ра-
бочего вещества, и она не загрязняется частицами
материалов электродов, диафрагм и т.п., как это
имеет место при использовании других методов об-
разования плазмы.
5. В условиях пучково-плазменного разряда дос-
тигается 100% выгорание нейтралов.
6. Реализация пучково-плазменного разряда до-
пускает использование различных способов подачи
рабочего вещества, по сути дела, в любую точку
инжекционного тракта.
Ожидаемые размеры демонстрационного вариан-
та сепарирующего устройства могут быть следую-
щими: радиус плазмы ~ 0,5 м, длина плазменного
столба (образования) ~ 4 м и, следовательно, объем
плазмы 3,14 м3, плотность ионной компоненты плаз-
мы ~ 1013 см-3. Дальнейшие расчеты и оценки будут
производиться с учетом этих размеров и величин.
В свою очередь, реализация пучково-
плазменного разряда требует создания сильноточно-
го источника нерелятивистских электронов с энер-
гией Ee≤100 кэВ (ve/c≤0,5, где ve – скорость электро-
нов пучка, c – скорость света).
Электронная пушка должна обеспечивать инжек-
цию электронного пучка не только заданных энерге-
тических параметров (ток, напряжение, длитель-
ность), но и требуемой пространственной ориента-
ции, которая задает величину / IIE Eδ ⊥= , отношение
поперечной составляющей энергии частиц (e-) к про-
дольной, что существенно влияет на эффективность
создания и нагрева плазмы в условиях пучково-
плазменного разряда. Итак, как указывалось ранее
[3,4], относительно плотная плазма (np менее или
порядка 1013 см-3) образуется при взаимодействии
электронного пучка с плотной парометаллической
средой. Для эффективного образования и нагрева
плотной плазмы необходимо иметь источник элек-
тронов, удовлетворяющий требованиям, которые
сформулированы на основе авторского и литератур-
ного опыта следующим образом – необходимы:
− достаточно высокий эксплуатационный ресурс;
− энергетическая эффективность;
− надежность в работе;
− достаточная простота в достижении и управле-
нии требуемыми параметрами (плотность тока, рав-
номерность тока по сечению, повторяемость от
включения к включению).
Кроме того, 1) мощность электронного пучка
должна составлять несколько мегаватт, например, Ee
≤ 1 – 2·104 эВ, Ie ≤ 1…2·102 А; 2) конструкция пушки
должна обеспечивать изменение условий инжекции
пучка в магнитном поле, а именно: изменение соот-
ношения между продольной и поперечной состав-
ляющими энергии электронов пучка; 3) элементы
конструкции пушки должны выдерживать импульс-
ные нагрузки, появляющиеся за счет пондеромотор-
ных сил в момент включения и выключения сильно-
го магнитного поля; 4) катод пушки должен ста-
бильно работать в тяжелых вакуумных условиях и
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 2.
Series: Nuclear Physics Investigations (53), p.186-189.
186
mailto:Ykovtun@kipt.kharkov.ua
быстро восстанавливать свою эмиссионную способ-
ность после пребывания на атмосфере. На Рис.1
представлен внешний вид одного из вариантов элек-
тронной пушки в объемном изображении для сепа-
рационных технологий. Конструктивно электронная
пушка состоит из следующих деталей: корпуса, ох-
лаждаемого водой; эмиттера – либо твердотельного,
например, в виде таблетки (таблеток) из гексаборида
лантана (LaB6), либо плазменного с большой эмит-
тирующей поверхностью; подогревателя эмиттера;
анода. При включении сильных магнитных полей
(Hmax>20 кЭ) возможно разрушение подогревателя
эмиттера из-за взаимодействия токового витка с
магнитным полем сепаратора. Защита подогревателя
от разрушения осуществляется, главным образом, за
счет уменьшения тока подогревателя до безопасного
уровня, когда не происходит его разрушения. В этом
случае подогрев эмиттера осуществляется электро-
нами, эмиттируемыми подогревателем и ускорен-
ными до нескольких килоэлектронвольт. Эффектив-
ность нагрева эмиттера за счет электронной бомбар-
дировки в 3-4 раза выше, чем эффективность нагре-
ва излучением. При этом срок службы подогревате-
ля возрастает в десятки раз. Существует еще один
способ защиты подогревателя от разрушения путем
отключения тока накала при включении магнитного
поля. Это также приводит к повышению его долго-
вечности.
187
Рис.1. Объемное изображение электронной пушки
для сепарирующего устройства ОПН-1 на основе
пучково-плазменного разряда. 1 – анод;
2 – держатель; 3, 7 – изолятор; 4 – держатель
катода; 5 – подогреватель; 6 – корпус пушки;
8 – токоподводящая шпилька; 9 – катод LaBB6
3,0x1013 6,0x1013 9,0x1013 1,2x1014
0
2
4
6
8
np, см
-3
rp/rb
Рис.2. Зависимость величины отношения попереч-
ного размера плазменного столба и электронного
пучка от плотности образованной плазмы при ППВ
Важной макрохарактеристикой пучково-
плазменного взаимодействия (разряда) является со-
отношение между поперечником rp образуемой в раз-
ряде плазмы и поперечными размерами rb первичного
электронного пучка. На Рис.2 приведена зависимость
отношения rp/rb от плотности плазмы. Таким образом,
экспериментально установлено, что величина отно-
шения rp/rb при изменении плотности плазмы в диапа-
зоне 1·1013…1,2·1014 см-3 составляет ~ 6,5. Т.е. для
получения столба плазмы диаметром 1м необходим
электронный пучок диаметром не менее 15 см.
Использование традиционных накаливаемых ка-
тодов, например, из гексаборида лантана, удовле-
творяет ряд этих требований (энергетика, эмиссион-
ная способность), но, в то же время, эти катоды
имеют недостаточный ресурс и невысокую надеж-
ность, особенно в активных средах. Поэтому задача
отработки более надежных эмиттеров электронов
является актуальной, а одним из перспективных ис-
точников электронов для технологических целей
является плазменный катод, что подтверждается
оценками, выполненными согласно уравнению (1)
0.4 2 /ej e n kT m+ += ⋅ ⋅ ⋅ , А/см2 (1)
и приведенными в Табл.1, где np – плотность плазмы
(см-3); j+ и j- – плотность ионов и электронов, А/см2.
Таблица 1
np, см-3 1011 1012 1013 1014
j+, А/см2 0,025 0,25 2,5 25
j-, А/см2 1 10 100 1000
В развитие поставленной задачи было реализо-
вано два варианта плазменного катода. В первом
случае плазменное образование создавалось в тон-
кой цилиндрической системе с отношением высоты
цилиндра к его диаметру l/d ≈ 7/300 ≈0,025, внутри
вакуумной полости размещалось восемь потенци-
альных и один земляной электрод, между которыми
происходил разряд емкостного накопителя с запа-
сенной энергией 640 Дж (С ≈ 0,4 мкФ, U≤ 20 кВ). В
теле заземленного электрода был проделан внутрен-
ний сквозной канал, использовавшийся для вакуум-
ной откачки разрядного объема и заполнения его
рабочим газом. Второй вариант представляет собой
усовершенствованный вариант №1, направленный
на улучшение равномерности распределения плот-
ности эмиссионного тока. С этой целью эмитти-
рующая поверхность была трансформирована с кру-
говой в прямоугольную форму. Вторая система со-
стояла из 8 пар игольчатых электродов, которые
перекрывали пространство размером 150×150 мм.
Отличительной особенностью этих вариантов явля-
ется то, что по сути дела в обоих случаях эмитти-
рующая поверхность представляет собой тонкий
(≈ 3…4 мм) плазменный слой. К достоинствам
плазменных катодов помимо высокой эмиссионной
способности следует отнести низкие значения
удельной мощности излучения в окружающее про-
странство. Особенно это актуально для установок и
устройств, использующих криогенные вакуумные
средства откачки и криогенные радиационные экра-
ны, в том числе работающие при гелиевых (≈ 4,2 К)
температурах. В Табл. 2 приведена удельная мощ-
ность излучения различных типов катодов при ра-
бочей температуре.
Таблица 2
Тип катода
Удельная мощ-
ность излучения,
Вт/см2
1. Оксидный 1,5…2,0
2. Губчатый и прессованный
оксидный
3…5
3. Вольфрамо-бариевый 6…8
4. Боридный и ториевооксидный 15…20
5. Плазменный 0,6
188
Важной характеристикой электронного пучка,
инжектируемого в сепаратор для образования и на-
грева сепарационной плазмы, является наличие у
электронов поперечной составляющей энергии, что
способствует увеличению эффективности процесса
образования и нагрева плазмы. Это достигается тем,
что катод и анод электронной пушки располагаются
в неоднородном магнитном поле под некоторым
углом α к оси магнитной системы. Изменяя этот
угол наклона α, можно регулировать отношение по-
перечной составляющей E┴ энергии пучка к про-
дольной E║. Величина 0 / IIE Eδ ⊥= в момент дости-
жения электроном поверхности анода определяется
по формулам:
2
2
2
0
2
2
sin
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
⋅=
k
k
tg αδ
, (2)
3
0
0 1
cos
59,0
γ
γ
α
−
⋅
⋅
⋅
=
U
dHk a , (3)
где 0 /a kH Hγ = ; kH и aH – величины магнитных
полей в области катода и анода пушки; U – уско-
ряющее напряжение; d – расстояние между анодом
и катодом. В реальном случае γ0~1,2…1,5.
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
2 4 6 8 10 12
2 4 6 8 10 12
γ
δk
γ0
d,cм
f(d)
f(γ
0
)
f(α)
f(γ)
α
Рис.3. Зависимость δk=f(γ, γ0, α, d) при U = 10 кВ,
Ha= 2500Э:
f(γ0) – γ = 10; α=12;; d = 0,3 см;
f(γ) – γ0 = 1,2; α = 12; d = 0,3 см;
f(d) – γ = 10; γ0 = 1,2; α = 12;
f(α) – γ = 10; γ0 = 1,2; d = 0,3 см
0 10 20 30 40 50
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
δk
U, кВ
Ha, кЭ
f(U)f(Ha)
Рис.4. Зависимость δk=f(U, Ha). f(U)– γ – 10; α – 12;
γ0 – 1,2; Ha – 2500Э; d – 0,3 см; f(Ha)– γ0 – 1,2; α – 12;
U – 10 кВ; γ0 – 1,2; d – 0,3 см
Выходящий из электронной пушки пучок попа-
дает в область возрастающего магнитного поля. При
этом происходит трансформация продольной энер-
гии в поперечную, которая в районе максимума
магнитного поля определяется соотношением:
αγ
αγδδ 2
2
0 sin1
cos
⋅−
⋅
== ⊥
II
k E
E , (4)
где max / aH Hγ = ; Hmax – максимальное значение
напряженности магнитного поля в пробке. На Рис.3
и 4 представлены зависимости конечных δk значе-
ний отношения поперечной энергии к продольной
для инжектируемых в сепаратор электронов от па-
раметров электронной пушки.
ВЫВОДЫ
1. На основе авторского и литературного опыта
сформулированы требования, которым должен
удовлетворять источник электронов для работы в
магнитоплазменном сепарационном устройстве на
основе пучково-плазменного разряда.
2. В диапазоне плотностей плазмы 1013…1014 см-3
экспериментально определено соотношение попе-
речных размеров образованной плазмы и первично-
го электронного пучка в пределах пучково-
плазменного разряда.
3. Расчетным путем определены параметриче-
ские зависимости показателя поперечной энергии
электронного пучка, инжектируемого в продольное
магнитное поле пробочной конфигурации, при из-
менении условий его формирования.
4. Предложены и обсуждены варианты катодов с
большой эмиттирующей поверхностью.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. 24729 Україна, МПК (2006) B01D 59/00.
Пристрій для розділення речовини на елементи /
Є.І. Скибенко, Ю.В. Ковтун, В.Б. Юферов. //
Промислова власність. Офіційний бюлетень.
2007, №10.
2. Ю.В. Ковтун, Є.І. Скібенко, В.Б. Юферов. Маг-
ніто-плазмові сепараційні технології і їх можли-
ве використання для переробки ВЯП і РАВ //
Ядерні та радіаційні технології. 2007, т.7, №1-2,
с.72-80.
189
3. Е.И. Скибенко, В.Б. Юферов, Ю.В. Ковтун. Кон-
цептуальный проект плазменного источника на
основе пучково-плазменного разряда для сепара-
ционных технологий // Сборник докладов 8-го
Международного конгресса “Оборудование и
технологии термической обработки металлов и
сплавов”. Харьков: ННЦ ХФТИ. 2007, т.1, с.232-
238.
4. 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» (37).
2008, №794, в.1, с.115-120.
Статья поступила в редакцию 07.09.2009 г.
.
THE USE OF ELECTRON BEAMS FOR REALIZING SEPARATION TECHNOLOGIES
AT THE ION-ATOMIC LEVEL
E.I. Skibenko, Yu.V. Kovtun, A.M. Yegorov, V.B. Yuferov
Requirements on the electron source for creating and heating a multicomponent separation plasma have been
elaborated. Different variants of cathodes with a large emitting surface are proposed. Calculations have been made
to determine parametric dependences of the transverse energy index of the electron beam injected into a longitudinal
magnetic field.
ВИКОРИСТАННЯ ЕЛЕКТРОННИХ ПУЧКІВ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ СЕПАРАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
НА ІОННО-АТОМНОМУ РІВНІ
Є.І. Скібенко, Ю.В. Ковтун, О.М. Єгоров, В.Б. Юферов
Визначено вимоги до джерела електронів для створення і нагрівання багатокомпонентної сепараційної
плазми. Запропоновано різні варіанти катодів з великою емітуючою поверхнею. Розрахунковим шляхом
визначено параметричні залежності показника поперечної енергії електронного пучка, що інжектується в
поздовжне магнітне поле.
THE USE OF ELECTRON BEAMS FOR REALIZING SEPARATION TECHNOLOGIES AT THE ION-ATOMIC LEVEL
E.I. Skibenko, Yu.V. Kovtun, A.M. Yegorov, V.B. Yuferov
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-15717 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:23:36Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Скибенко, Е.И. Ковтун, Ю.В. Егоров, А.М. Юферов, В.Б. 2011-01-31T16:47:53Z 2011-01-31T16:47:53Z 2010 Использование электронных пучков для реализации сепарационных технологий на ионно-атомном уровне / Е.И. Скибенко, Ю.В. Ковтун, А.М. Егоров, В.Б. Юферов // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 2. — С. 186-189. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15717 537.533.9 Определены требования к источнику электронов для создания и нагрева многокомпонентной сепарационной плазмы. Предложены различные варианты катодов с большой эмитирующей поверхностью. Расчетным путем определены параметрические зависимости показателя поперечной энергии электронного пучка, инжектируемого в продольное магнитное поле. Визначено вимоги до джерела електронів для створення і нагрівання багатокомпонентної сепараційної плазми. Запропоновано різні варіанти катодів з великою емітуючою поверхнею. Розрахунковим шляхом визначено параметричні залежності показника поперечної енергії електронного пучка, що інжектується в поздовжне магнітне поле. Requirements on the electron source for creating and heating a multicomponent separation plasma have been elaborated. Different variants of cathodes with a large emitting surface are proposed. Calculations have been made to determine parametric dependences of the transverse energy index of the electron beam injected into a longitudinal magnetic field. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Применение ускорителей Использование электронных пучков для реализации сепарационных технологий на ионно-атомном уровне Використання електронних пучків для реалізації сепараційних технологій на іонно-атомному рівні The use of electron beams for realizing separation technologies at the ion-atomic level Article published earlier |
| spellingShingle | Использование электронных пучков для реализации сепарационных технологий на ионно-атомном уровне Скибенко, Е.И. Ковтун, Ю.В. Егоров, А.М. Юферов, В.Б. Применение ускорителей |
| title | Использование электронных пучков для реализации сепарационных технологий на ионно-атомном уровне |
| title_alt | Використання електронних пучків для реалізації сепараційних технологій на іонно-атомному рівні The use of electron beams for realizing separation technologies at the ion-atomic level |
| title_full | Использование электронных пучков для реализации сепарационных технологий на ионно-атомном уровне |
| title_fullStr | Использование электронных пучков для реализации сепарационных технологий на ионно-атомном уровне |
| title_full_unstemmed | Использование электронных пучков для реализации сепарационных технологий на ионно-атомном уровне |
| title_short | Использование электронных пучков для реализации сепарационных технологий на ионно-атомном уровне |
| title_sort | использование электронных пучков для реализации сепарационных технологий на ионно-атомном уровне |
| topic | Применение ускорителей |
| topic_facet | Применение ускорителей |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15717 |
| work_keys_str_mv | AT skibenkoei ispolʹzovanieélektronnyhpučkovdlârealizaciiseparacionnyhtehnologiinaionnoatomnomurovne AT kovtunûv ispolʹzovanieélektronnyhpučkovdlârealizaciiseparacionnyhtehnologiinaionnoatomnomurovne AT egorovam ispolʹzovanieélektronnyhpučkovdlârealizaciiseparacionnyhtehnologiinaionnoatomnomurovne AT ûferovvb ispolʹzovanieélektronnyhpučkovdlârealizaciiseparacionnyhtehnologiinaionnoatomnomurovne AT skibenkoei vikoristannâelektronnihpučkívdlârealízacííseparacíinihtehnologíinaíonnoatomnomurívní AT kovtunûv vikoristannâelektronnihpučkívdlârealízacííseparacíinihtehnologíinaíonnoatomnomurívní AT egorovam vikoristannâelektronnihpučkívdlârealízacííseparacíinihtehnologíinaíonnoatomnomurívní AT ûferovvb vikoristannâelektronnihpučkívdlârealízacííseparacíinihtehnologíinaíonnoatomnomurívní AT skibenkoei theuseofelectronbeamsforrealizingseparationtechnologiesattheionatomiclevel AT kovtunûv theuseofelectronbeamsforrealizingseparationtechnologiesattheionatomiclevel AT egorovam theuseofelectronbeamsforrealizingseparationtechnologiesattheionatomiclevel AT ûferovvb theuseofelectronbeamsforrealizingseparationtechnologiesattheionatomiclevel |