Масс-сепаратор

Первые попытки разделения изотопов были сделаны Ф. У. Астоном в 1919 году для обнаружения изотопов стабильных химических элементов. В дальнейшем разделённые изотопы в больших количествах потребовались для исследований в области ядерной физики. В 30-х годах XX века были созданы первые устройства разделения изотопов — масс-сепараторы.

Масс-сепаратор состоит из ионного источника, электромагнита и приёмника изотопов, расположенных в вакуумной камере. Это более общее понятие, чем «калутрон», использующееся в англоязычной литературе, поскольку объединяет в себе несколько типов конструкций, работающих на разных принципах.

Термин «калутрон» появился из аббревиатуры California University Cyclotron, поскольку был изобретён Э. Лоуренсом во время Манхэттенского проекта на основе циклотрона. Первоначально калутроны использовались на заводах по промышленному обогащению урана Y-12 в Клинтон Инжениринг Воркс (Clinton Engineering Works) в Оак Ридже, штат Теннесси, США. Обогащённый с помощью калутрона уран был использован в атомной бомбе Little Boy, которая была взорвана над Хиросимой 6 августа 1945 года.

Калутрон — разновидность масс-сепаратора, в котором образец ионизируется, а затем ускоряется электрическим полем, а отклоняется к мишени или коллектору изотопов с помощью магнитного поля. Из-за того, что ионы разных изотопов обладают одинаковым электрическим зарядом, но разной массой, более тяжёлые изотопы отклоняются в магнитном поле меньше, чем более лёгкие, что приводит к разделению изотопов по массам, в результате чего мишень достигают несколько пучков ионов, в каждом из которых массы ионов одинаковы. В первых калутронах длина электромагнита была порядка 75 метров при массе около 4000 т. Впоследствии калутроны были усовершенствованы, и сепарация изотопов в них производилась с помощью газовой диффузии. Метод диффузии основан на том, что при тепловом равновесии два изотопа с одинаковой энергией имеют разные средние скорости прохождения мембраны, диаметр которой не превышает длину свободного пробега иона. Поскольку отношение скоростей ионов обратно пропорционально квадратному корню из отношения масс ионов, необходимо создать целый ряд каскадов, что делает эту технологию достаточно дорогостоящей.

В современных масс-сепараторах в качестве ионного источника используют плазменный источник ионов, формирующий пучок ионов высокой плотности. Отклоняющая система направляет пучки ионов с разной массой в различные участки мишени, откуда они потом собираются и переводятся в химические соединения, удобные для дальнейшего использования. Оптимизация масс-сепараторов достигается путём реализации линейности исследуемой системы^[2].

Масс-сепараторы применяются для получения редких высокообогащенных изотопов различных химических элементов для целей ядерной физики, геофизики, медицины и других областях, связанных с использованием изотопов.