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1、同位素电磁分离器的研究同位素电磁分离器的研究摘 要自从 1912 年发现了氖的同位素以来 , 现在知道周期表上每一个元素都由若干同位素组成 , 其中有稳定同位素和放射性同位素元素的同位素在国民经济国防建设和科学实验中有重要的广泛的用途 , 因此自二十年代起 , 就不断研究将元素的同位素加以分离的方法。 由于同位素之间化学性质很相近 , 因而不能用普通的化学或冶金方法分离它们 , 需要一些特殊的方法和设备目前 , 分离同位素的方法有十多种 , 如气体扩散法，热扩散法，化学交换法，精馏法，离心法喷嘴法， 电泳法， 电解法， 激光法和电磁法等 , 其中许多方法已经从实验室规模发展成工业生产文着重介绍
2、电磁分离法及其所生产的浓缩同位素的应用。关键词： 同位素组成；放射性同位素；稳定核素；电磁分离器；科学实验；浓缩；气体扩散法；同位素分离同位素电磁分离器的研究Abstract Since the 1912 discovery of the isotope deuterium has been now know that every element on the periodic table by the number of isotopes, including isotopes and radioisotopes and stable isotopes of the element in t
3、he national economy and national defense have important scientific experiments in a wide range of uses, Therefore, since the twenty years since, to continue to study the separation of isotopes of the element method. Between the chemical properties of isotopes are similar, and therefore can not use o
4、rdinary chemical or metallurgical separation of them need some special methods and equipment present, isotope separation method has a dozen, such as gas diffusion, thermal diffusion, chemical exchange method, distillation, centrifugation nozzle method, electrophoresis, electrolysis, laser method and
5、 the electromagnetic method, etc., many methods have been developed from the laboratory into industrial scale production of the text focuses on the electromagnetic separation of isotopes produced by the enrichment application.同位素电磁分离器的研究1. 电磁分离法的特点电磁分离法与其他方法相比有其独特之处：1. 通用性强。电磁分离器几乎可以分离所有元素的同位素 , 包括稳
6、定和放射性同位素。 而其他方法都有局限性 , 一个装置一般只能分离一种元素的同位素。 电磁分离器从分离一种元素的同位素转换到分离另一种元素的同位素很方便 , 只需要几天的清洗、调整时间 , 具有高度的灵活性。还可以同时将元素的几种同位素浓缩并收集起来。2. 分离系数大。分离系数是指同位素在经过一个分离单元之前和之后它们相对丰度的变化。它表征某种方法的分离能力 , 因此分离系数越大越好。其中 表示分离后某同位素相对丰度； 表示分离前某同位素相对丰度； 分别为分离前后某同位素丰度 , 以克分子( 或克原子 ) 百分数表示。电磁法单级分离系数一般为 10-1000 。就是说用一台单级分离器 , 一次
7、分离就可以得到高纯同位素 , 其他方法的分离系数一般仅仅比 1略大一些。3. 可浓缩微量同位素。电磁分离器原料用量可少到若干毫克 , 适用于分离科学实验用的稀有、珍贵的样品。还可以使丰度极低的同位素浓缩到高丰度。同位素电磁分离器的研究4 平衡时间接近于零。一般同位素分离装置从启动到获取产品的平衡时间需几天甚至几个月。 电磁分离器中原料可以很快被电离并被分离而接收到。 因此 , 用电磁分离器分离短寿命放射性同位素具有很大优越性。 1965 年以来发展了 “ 在线” 分离器 , 为研究半衰期只有几分之一秒的远离稳定线的核素提供了有利条件。5. 产量小 , 成本较高 。是电磁分离方法比其他方法不利的
8、方面。建造电磁分离器投资较大 , 运行费用高。 一台大型分离器分离重元素年产量也只有百克左右。 因此 , 电磁法适合于制备科研用的少量高纯同位素样品或其他方法不能生产的同位素。目前周期表上各种元素中 , 铀、锉、氢、硼、碳和气体元素的同位素已用某些同位素分离方法进行较大量的生产 , 例如 用扩散法、离心法分离铀同位素 , 用低温精馏法分离氢和氖 , 用热扩散仓法分离氦同位素、 氖同位素等。 其他元素的同位素分离主要用电磁分离法（了特殊的需要 , 也常常在电磁分离器上制备上述铀、锉等几种元素的高纯同位素）。二、电磁分离器的原理和结构电磁分离器基本原理： 能量相同但质量不同的离子在与离子运动方向垂
9、直的磁场中沿不同半径的圆形轨道运动 , 在偏转一定角度后 , 不同的离子就分开了。式中 B磁感应强度（高斯） ； V为离子加速电压（福特） ;M为同位数同位素电磁分离器的研究离子质量数。在均匀磁场中 , 偏转 180度后 , 不同同位素的色散（即经分离后不同离子束聚焦点之间的距离）式中 M 为两个同位素质量数之差。电磁分离器主要组成部分有 离子源、接收器、电磁铁和真空室等 。 .离子源 用来产生一定能量、一定形状的稳定的强流离子束 , 在大型分离器中流强可达几百毫安或更大。常用的是磁型弧放电离子源。 需要分离的元素或其化合物放在离子源的址锅内 , 由电炉加热形成蒸气 , 蒸气进人弧室 , 在等
10、离子体弧放电中变成离子 , 离子被高电压引出、加速 , 射入磁场。加速电压一般用 30 一 50 千伏。此外还有表面电离离子源、高温离子源、气体离子源等。图 1. 电磁分离原理结构图2. 接收器用来同时分别接收分开了的各个同位素。 接收器中有用高纯铜片同位素电磁分离器的研究或石墨制成的特殊形状的收集袋 , 将袋安放在离子束聚焦位置 , 分离了的同位素积聚在各个收集袋中 , 然后经化学处理、提取、纯化 , 得到同位素产品。3. 磁场分析和聚焦强流离子束 , 起磁棱镜的作用。磁场的普遍式可表示式中 B为磁中心平面上任意点的磁感应强度 ; 为磁中心平面上离子束中心轨道处磁感应强度 , 为离子束中心轨
11、道曲率半径 , R 为磁中心平面上任意点的位置半径 ； n 为场指数 。当 n=0时就是均匀场 , 小型电磁分离器一般采用均匀场作为磁棱镜 , 可以利用边缘场进行轴向聚焦。 大型分离器在均匀场基础上加条形垫片以改善聚焦性能。当 n 0时就是非均匀场 , 近代中型、 大型电磁分离器大多采用非均匀场 , 以实现双聚焦 , 一般 n=0.5 , 也有 n=0.8 的。磁场的设计、磁垫片加工要求很高。磁感应强度通常为几千高斯。根据不同目的设计的分离器 , 其磁棱镜采取不同偏转角 .实验室规模的电磁分离器磁铁一般重几吨 , 用于生产稳定和放射性同位素的中、 大型分离器磁铁重达数十或数百吨。 为了获得超纯
12、同位素 , 已有两个或三个磁棱镜串列的多级分离器。4. 真空室离子运动的空间需要抽真空 , 以避免离子束与空气分子碰撞造成损失。真空度一般在 0.1 。大型分离器真空室体积达 4立方米 , 要同位素电磁分离器的研究用大型真空机组抽气。三、电磁分离器的用途同位素电磁分离器主要用于生产浓缩同位素 , 并作为一种实验设备可用于核物理、固体物理、离子化学等研究工作。1. 生产浓缩同位素。目前世界上有二十多个国家的一百多台各种类型电磁分离器正在生产稳定或放射性同位素。 天然稳定核素有 273. 种 , 其中 250多种已被分离过。 一般产量是毫克和克数量级 , 某些同位素产量达公斤数量级。 为了制备钵和
13、超杯元素同位素以及分离强放射性同位素 , 建造了专用电磁分离器。有的国家建立了“ 同位素库” , 逐年积累 , 扩大库存 , 出售或出租浓缩同位素。2. 小型电磁分离器主要是用来为核物理实验制备研究核反应用的各种浓缩核素靶及高纯度的放射源。.3. 近十年来发展了“在线” 分离器 , 以研究远离稳定线的短寿命核。4. 同位素电磁分离器作为离子注人器用于半导体掺杂。与热扩散法相比 , 优点是工作温度较低 , 半导体材料电性能不受影响 , 离子能量可调 , 因而可以控制渗杂深度 , 精确控制掺杂量和分布 2 离子束纯度高 , 注入杂质无横向扩散 , 可以用微离子束作精细掺杂 , 也可以用扫描法大面积
14、均匀掺杂等。5. 电磁分离器产生几十千电子伏能量的各种离子束 , 可以用来研究离子与物质的作用 , 研究离子与气体的弹性或非弹性碰撞 , 研究热同位素电磁分离器的研究原子化学和离子化学。6. 电磁分离器可作为重离子加速器的离子注入器。四、电磁分离的浓缩核素的应用经过同位素分离 , 取得各种浓缩核素 （即通常说的浓缩同位素） , 在国民经济、 国防建设、 医疗卫生和科学研究等方面已广泛地利用来作为改造自然的有力手段。例如 在核武器和核能源方面 , 大量地使用铀一 235、铀一 238，氘、氖、锂 6，硼一 10 等浓缩核素作为核燃料和结构材料。 在核物理研究、 核参数测量方面用到几乎所有的浓缩核
15、素。农业、生物和医疗卫生方面需要氖、碳一 13 ，氮一 15，氧一18 等三十多种浓缩稳定核素。地质探矿、地球科学方面也要求提供铷、银、钾、氢、铅、铀等多种元素的各种同位素。分离同位素已有多种方法 , 而上述这些浓缩核素中有很多是用电磁分离器生产的。五、结论初步测试结果证明 , 更换垫片后 , 分离器的聚焦性能有了明显的改善 , 说明垫片修改工作是成功的。在新垫片的场形下 , 空间电荷力使谱线高压侧变宽比低压侧变宽更容易些和明显些。但空间电荷力较大时 , 这种特征就被掩盖了。为了充分利用更换垫片后分离器的磁聚焦性能 , 提高分离器的分离运行水平 , 还斋要进一步研究和改善离子源的离子光学系统等 , 特别是要解决强流离子束的空间电荷中和向题。同位素电磁分离器的研究参考文献 1 吕洪湭等 : 原子能科学技术， 4， ,32 （ 1976） 2 S. 威廉尼编 . 铀浓缩 . 段存华等译 . 原子能出版社 .1985.56-60,185-186. 3 陈达明 . 激光分离同位素 . 原子能出版社 .1985.44-58 4 M.葛波维其等 . 等离子体离子物理和技术 . 科学出版社 .1976 年 5 甘怀心 . 气体离心分离的原理及其在同位素分离中的应用 . 科学出版社 .1978 年
