Download Construcción de un Separador Electromagnético de Isótopos

REPÚBLICA
ARGENTINA
COMISIÓN NACIONAL DE ENERGÍA ATÓMICA
INFORME
N°
113
Construcción de un Separador Electromagnético
de Isótopos
por
Moisés J. Sametband
BUENOS
1964
AIRES
1
CONSTRUCCIÓN DE ÜN SEPARADOS ELECTROMAGNÉTICO DE ISÓTOPOS
Moisés J. Sametband
RESUMEN
La presente publicación describe un separador electromagnético de isótopos construido en la C.N.E.A. Este es del tipo
180° con campo magnético no uniforme de acuerdo a las ecuaciones de Beiduk y Konopinsky. El radio de curvatura es de 100 cm
y el ancho del entrehierro de 17 cm. El campo magnético, estabilizado 1s 10.000, cubre un rango de 300 a 4300 gauss y las
piezas polares están corregidas para dar un buen enfoque de un
haz de iones que diverja hasta 30°.
El perfil de las piezas polares fué diseñado luego de una
serie de mediciones hechas en un modelo y en base a un método
analógico lo que permitió obtener una discrepancia menor que
0,5$ respecto del valor teórico del campo. La fuente de iones
es del tipo de filamento incandescente con un horno capaz de va
porizar la mayoría de los elementos.
El sistema de aceleración fué diseñado con ayuda de un me
todo analógico que permitía simular la carga espacial de un haz
intenso de iones. Se han separado elementos gaseosos y actual
mente está en desarrollo un programa de separación de Zn y otros
elementos estables y activos.
SUMMARY
The electronagnetic isotope separator built at the Comisión
Nacional dé Energía Atómica is of the 180° type, with a radius
of curvature of 100 cm and a gap width of 17 cm. The magnetic
field, stabilized in 1: 10000, ranges from 300 to 4300 Gauss,
and the pole piec-es are corrected to give a good focusing for
an ion beam which diverges up to 30°. The profile of the pole
pieces was designed after a series of measurements using amodel
magnet and an analogic method, so obtaining a discrepancy of not
more than 0.5$ with respect to the theoretical fireld.
The ion source is of the hot filament type, and a furnace
enables to vaporize almost all elements., The accelerating sys
tem was designed with the aid of an analogic method which simu
lates the space charge of an intense ion beam. Gaseous elements
have been initially separated; a programof separation of zinc and
other 3table and radioactive elements is already in development.
4
INTRODUCCIÓN
El desarrollo de la física nuclear requiere en la actualidad un trabajo experimental de la más elevada precisión, que
hace necesario en muchos casos el uso de núcleos específicos.
De ahí el creciente interés por las técnicas de separación de
iso'topos por el método electromagnético, y la construcción de
numerosos separadores en Estados Unidos y Europa en los años
recientes, además de la adaptación de los grandes separadores
de Oak Ridge y Harwell (destinados durante la Segunda Guerra
Mundial a la provisión de ü235), la separación de diversos
isótopos estables.
a
Para muchas investigaciones nucleares se requieren isóto
pos enriquecidos en cantidades superiores al miligramo, lo que
significa corrientes de iones de varios miliamperes en el separador electromagnético. Esto trae complicaciones en su diseño que no aparecen en el espectrómetro de masa, utilizado en
la década del 30 parala obtención de iso'topos estables en can
tidades menores que un microgramo. Se requiere en un separador utilizar fuentes de iones de elevada intensidad de corrien
te, de gran eficiencia, capaces de vaporizar substancias sóli
das a temperaturas de hasta 1000°C; de rápida puesta en marcha
(para la separación de material radioactivo), el uso de siste_
mas de enfoque del haz de iones para obtener el máximo poder
separador; la construcción de equipo electrónico que permita
la operación durante días con un mínimo de atención.
Parala mayor parte de los usos a que se destinan los ispj
topos separados es mucho más importante la pureza isoto'pica
que la cantidad, y por ello la tendencia actual en el diseño
de separadores es aumentar al máximo el poder resolutor. Ade_
más, deben ser lo suficientemente flexibles en su uso como pa
ra poder pasar rápidamente de la separación de un determinado
elemento a cualquier otro. Usualmente se requieren iso'topos
enriquecidos de prácticamente todos los elementos, y éste es
el mérito del método de separación electromagnética: su versa
tilidad, que permite la obtención de isótopos de casi todos
los elementos en una sola y rápida operación. Sin embargo es
un proceso caro, de modo que cuando se requieren cantidades
superiores al gramo es preferible utilizar los métodos de des_
tilación fraccionada, intercambio químico, etc.
Actualmente hay listas detalladas de la distribución de
isótopos enriquecidos a centros de investigación preparadas
por los dos centros principales de producción (l, 2), que per
miten apreciar sus diversos usos; se los utiliza para:
a) estudios de niveles de energía,
b) estudios de dispersión,
o) secciones eficaces para neutrones,
5
d) investigación de nuevos isótopos,
e) estudio de radioisótopos naturales,
f) preparación de marcadores radiactivos de alta
dad específica.
activi
Ademas se ha desarrollado en los últimos años la prepara
ción de muestras de isótopos radioactivos de vida corta para
espectroscopia beta y gamma.
El panorama actual de la separación
isótopos es el siguiente:
electromagnética de
El diseño y construcción de equipos se está realizando en
un número creciente de países; Estados Unidos y Gran Bretaña
disponen cada una de dos separadores de isótopos estables de
gran capacidad de producción además de varios exclusivamente
utilizados para material radioactivo; la Unión Soviética tiene
por lo menos un aparato de cada tipo, Holanda, Francia y Alemania Occidental han construido equipos de mediana capacidad
de producción para material estable o radioactivo indistintamente; los países escandinavos tienen cuatro separadores de
capacidad mediana y alto poder resolutor; Sudáfrica,
Japón,
Italia y Yugoslavia están construyendo separadores para isótopos estables y radioactivos.
Disponer de un instrumento de esta naturaleza facilita
considerablemente la investigación nuclear,y por ello la Comí
sión Nacional de Energía Atómica decidió que se construyera un
separador electromagnético de isótopos.
El presente informe
se refiere a la ejecución de este proyecto.
Las características del electroimán son similares a las
del que forma parte del separador de Holanda (3), cuyos detalles nos fueron facilitados por los Drs. J. Kistemaker y C.J.
Zilverschoon, y se modificó su diseño como se detalla en el
informe.
Las piezas polares se realizaron en base a un estudio con
un modelo analógico} para diseñar la fuente de iones,se proce
d i o a estudiar el enfoque mediante la simulación de un haz con
carga espacial (4).
Las múltiples técnicas auxiliares utilizadas en el presen
te trabajo han requerido la intervención de diversos Departa
mentos de la CNEA. Así, en Talleres Generales se construyeron
la bobina de excitación, la cámara de vacío, el equipo de va
cío de 6000l/s, la fuente de iones, colector y exclusas, y las
bandejas anticorona para los equipos de alta tensión.
31 Departamento de Electrónica construyó y ajuató los cir
cuitos de alta tensión y control, cuyos diagramas fueron fací
litados por el Dr. J. Zistemaker.
~
6
Características Generales.
El método de separación electromagnética de isótopos con
siste esencialmente en producir iones de un elemento, acele
rarlos mediante un campo eléctrico y separarlos mediante un
campo magnético en tantos haces como isótopos diferentes haya.
los iones difieren entre sí únicamente en su masa, ya que
todos salen de la fuente de iones acelerados por el mismo po
tencial; de modo que no se les puede separar por campos magne
ticos exclusivamente, los que por otra parte podrían perturbar
los haces de iones por efectos de carga espacial. De aquí la
necesidad de limitar el uso del campo eléctrico exclusivamente
a la extracción de los iones de la fuente, y analizar el haz
de iones mediante un campo magnético (6).
Si se utiliza un campo magnético de intensidad B, homogé
neo, un ion de carga e, masa m, velocidad v, energía eVque en
tra al campo magnético en dirección perpendicular a B, descri,
be una órbita circular de radio H:
2
B = JL ( JüI)*
B
(1)
e
Iones de igual carga u energía, pero distinta masa, for
marán distintos haces; y una vez desviados en un ángulo Jt ,1a
distancia entre dos isótopos de masas m y m + Am es según (1):
2AE = d = — E
m
(2)
Así, si se desea separar
Hg de
Hg, con un instrumen
to que permite órbitas de lOOcm de radio estos isótopos queda­
rán distanciados en 0.5 cm. Se ve la necesidad de utilizar un
campo magnético analizador con el mayor E posible.
El separador electromagnético consiste básicamente en:
1. El analizador electromagnético, entre cuyos polos se
encuentra la cámara de vacío por donde circula el haz
de iones.
2. La fuente de iones, constituida por un horno para va
porizar el material a separar, generalmente sólido, y
una cámara de descarga donde se ionizan los vapores
del horno.
3 . El sistema de electrodos de enfoque y aceleración de
iones.
1
7
4 . El colector, donde inciden y se depositan los isótopos
separados.
5. El equipo electrónico de excitación y estabilización
de la corriente para el electroimán, fuentes de alta
tensión y alimentación de la fuente de iones, contro
les y dispositivos de seguridad.
6. El equipo de alto vacío, para mantener en
una presión del orden de 10~5 mm Hg.
la
cámara
Se puede calcular la masa de isótopos separada por hora
de funcionamiento del separador, conociendo la corriente I en
el colector:
m (mg/hora) = 3 . 7 3 x l O M I (mA)
(3)
_2
donde M es el numero de masa del isótopo separado. Así cuan
do se separan los isótopos del zinc, por ejemplo, con una co.
rriente total de lOmA, se recoge en el colector correspondien
te al 6*Zn
cantidad de 13.2mg por hora. En un separador
electromagnético que proporcione esas cantidades de material,
hay que considerar varios factores importantes s la aberración
de la lente magnética, que corresponde a la aberración esférica
en las lentes ópticas, y se puede corregir alterando el campo
magnético; el funcionamiento de la fuente de iones, que debe
emitir partículas de baja dispersión de energía, no mayor que
15eV; el efecto de carga espacial. Este último puede tener
como efecto una fuerte disminución de la eficiencia del apara,
to, debido a la repulsión entre los iones del haz, debida al
campo eléctricos
u n a
B = —
o
(4)
v
donde j es la densidad inicial de la corriente de iones y
es el ancho del haz, y v
la velocidad con que salen los io.
nes de la fuente. Este campo hace que los iones sean desvia
dos en trayectorias parabólicas
0
2
y(x) = y (l - i x + k x )
0
donde f y k
de los iones.
Q
(5)
0
son parámetros que dependen de la naturaleza
Así, para un separador de 100 cm de radio, ranura de sali
da de la fuente de iones de 10x0.2 cm, y una corriente de io­
nes de 50mA, la densidad inicial de corriente es j : 25mA cm~2,
y se tiene en el borde del haz un campo eléctrico E = 5 kV cm~^,
que si no es anulado de alguna manera provoca un ensanchámien
to de la imagen en el foco:
&r „
-L x
V
2
; x - TfR
?
(6)
8
Pero si se quieren separar dos isótopos de masas M y M +
AM solo se puede permitir un ensanchamiento de la imagen de la
mitad, y por lo tanto el campo aceptable máximo es
A M.V
S
max
(7)
M B
que, para separar 200jj ¿ 201{ig
una aceleración de 20KV
es: de 0.27 cm~l. Afortunadamente el efecto de carga espacial
queda disminuido debido a la presencia del gas residual en la
cámara de vacio, el que es ionizado por el haz de iones de al
ta energía, y los electrones así liberados quedan atrapados en
el interior del haz, disminuyendo de este modo la carga espa
cial positiva. Los procesos posibles para un haz de iones de
por lo menos 1 KV de energía son:
g
e
c o n
a) I*
+ A
+
A
b) I*
+ A
+
A
c) I*
+ A
+
e
A
+
donde I es un ion del haz y A es un átomo del gas residual.
Aproximadamente el 1% de los iones del haz sufren el proceso
a) y por lo tanto no se recogen en el colector.
Los procesos b) y c) forman iones y electrones lentos de
energías de 1 a 50eVI. Los A lentos salen del haz, mientras
los electrones se concentran en el mismo atraídos por el campo
E, y la acción del mismo en combinación con el campo magnético
del analizador hace que se desplace en órbitas cicloidales(fi
gura 1); para evitar que al acercarse al extremo del haz en la
fuente de iones sean atraídos por la tensión positiva de ]a misma, provocando descargas, ésta está separada de la cámara me
diante el electrodo negativo de extracción y un electrodo a po
tencial cero.
Figura 1 - Trayectoria de un electrón lento
en un haz de iones.
9
Diseño del Analizador Magnético.
En un analizador consistente en un campo magnético hom¿
géneo los rayos que divergen en un ángulo 2 (X , emitidos por
una fuente puntual, forman una imagen en el espacio; el anali.
zador se comporta como una lente con aberración esférica. Pa
ra un emisor no puntual de ancho a el ancho de la imagen es:
s = a + 2R (1 - eos <X )
(1)
Se define como poder resolutor PB al valor máximo del co
ciente entre el número de masa m y la diferencia A m entre
dos isótopos sucesivos: ~
. _ £ _ . _ * .
(2)
Am
a
P
H
donde
1
P B <-
El término en oi se hace importante en el separador, pues
la elevada intensidad de la corriente iónica obliga a hacer
grande la abertura del haz. Para = 8 ° , a = 2mm, B = 10000 mm,
es PR ^ 3 5 , lo que solo permite separar elementos livianos.
Para disminuir el término en ot se utiliza un campo no uní
forme a lo largo de la trayectoria del haz; el campo magnético
en el plano (le simetría puede representarse mediante una serie
de potencias de
r -_R
B„
*o
r
donde R
e3 el radio de la trayectoria central, B el campo
magnético para R , B (r,0) es la componente vertical del cam
po para radio r, en el plano de simetría z = 0
0
Q
Q
2
(r,0) =
B
B
0
T an
n = 0
n
(3)
Los componentes
varian con los diversos tipos de gnaii_
zadores. Así Svartholm y Siegbahn utilizaron un campo de la
forma:
2
B
r
(r,0) = B(l
0
- ±¿
2
+
± ¿
8
- - L rf
16
3
+
Jl f
4
_...) ( )
4
128
logrando un enfoque de primer orden en las direcciones
con un analizador de 255°.
z y r
10
Por otra parte Beiduk y Konopinsky (7) calcularon una dls
tribución de campo que permite, para un sector de 180°, obte_
ner un enfoque de tercer orden, pero únicamente en la dirección radial. En este caso es:
B
(r.O)-B
z
0
2
(1 -JL S
4
+1
8
3
<5 - -1
16
6* + ...)
(5)
Comparación Entre los Diversos Tipos de Analizadores.
De lo antes visto resulta la conveniencia de utilizar un
campo magnético no homogéneo en el separador. 31 campo de
Svartholm-Siegbahn tiene una dispersión
D = 2
R,
mien^ m
D =
R
m
El imán requerido es de tamaño semejante para 255° y 180°, y
menor para el sector de 60° o 90°. El inconveniente principal
del campo de 255° es que en él quedan excesivamente cercanos
la fuente de iones a alta tensión y el colector a potencial
cero. Si además se desea utilizar una fuente de iones oscilan
te, con campo magnético independiente del analizador, esto que,
da imposibilitado por dicha falta de espacio, lo que contrarresta la ventaja del poder dispersor doble para igual radio.
Q
m
tras que para sectores de <J>^180° la dispersión es
Campo uniforme
Figura 2 -
Comparación entre diversos tipos de Campo magnético.
11
El separador de 60° tiene la ventaja de requerir un elec
troimán de menores dimensiones que el de 180° para igual PH.
Su desventaja es que la trayectoria de los iones es apreciable.
mente mayor: es igual a 4.51 R , en tanto que para el separa,
dor de 180° es de 3.14 R • Como la absorción de partículas
en la cámara de vacío es proporcional a la longitud de la tra
yectoria en la misma,el rendimiento de la separación es menor
para un imán de 60°. La corriente I
que llega al colector
está dada por:
0
0
c
I
e
- I
f
e x p (-
V^)
(6)
donde 1^ es la corriente de salida de la fuente, 1 la-Ion
gitud de camino recorrido desde la fuente al colector, y X el
libre camino medio para choques inelásticos, de aproximadamen
te 6 metros a la presión de la cámara de vacío. De modo que
para el analizador de 180° es I « 0.61 I , y para el de 60°
es I x 0.48 I»,
c
i
f
El campo de Beiduk y Konopinsky fuá utilizado por Kistemaker y Zilverschoon en el diseño del separador de isótopos de
Amsterdam (3), y por Bernhard en el separador de Berlín (16).
Es también el utilizado en el separador de Buenos Aires, cuyo
diseño se basó en el aparato holandés.
Enfoque en el Campo de Beiduk y Konopinsky.
El enfoque de iones y electrones es perfecto en este cam
po Tínicamente para una fuente puntual y trayectorias en el pía
no medio (z = 0 ) . Pero l a fuente tiene dimensiones finitas:
ancho 2w y altura 2 h
-w<S<=
<?(?)< w
(7)
La velocidad inicial v puede tener una
siendo las condiciones iniciales:
componente
El haz tiene una abertura radial OC y axial fi , pues está
limitado por un diafragma colocado en *f) = 0 de contorno
- a.
< £.
<
?i
(si
12
En base a estas condiciones Beiduk: y Konopinsky (3) deter
minaron ecuaciones paramétricas para las órbitas, las que per
miten determinar ó" 7 J para cualquier
en particular en el
diafragma (<p= 0) y el colectar (<f> = ).
En el diafragma:
C J t = \ +<x + ¿
0
0
+
P
1
+ Ol23o(+0.2j£ )
1
(9)
En el colector:
c j t , = TT + i<*
0
^ = í , + (3TT-35,Cá;+|TT0()-^«p
(oo,
J
5 = - 5 , o - ¿ í , ) - 5.4 i p -1.5 j ; -4.rpj,
2
Por lo tanto, cada punto emisor del objeto proyectará una
imagen del contorno del diafragma sobre el colector, cuya área
será la imagen del punto emisor. Su forma, para un emisor de
espesor cero ( ¿"i = 0 ) , se determina eliminando "orminos cua
dráticos en las ecuaciones ( 1 0 ) ;
1^21.-1-2.58.1.
í +
o>-1.5/£-0.61
+So?, 0-8°U-3.85.5.+0.095, $ - a 2 7 U
t
to)
z
En base a estas ecuaciones se puede determinar también la
imagen en el colector para un objeto de ancho finito (ranura
de la fuente de iones). Basta para ello sumar a ¿"o para § 2 = 0
el valor de 6\, obteniendo así ¿ 2 * Si el diafragma central
es rectangular, la imagen es la de la figura 3 , en la que se
indican los límites J = de las ranuras del colector.
2
13
Como J » O es un plano de simetría, las imágenes de puntos de
j > o y J , «iO son simétricas. Se puede ver que la imagen es
tá limitada: arriba y abajo por los límites del colector, a la
izquierda por la proyección del borde $ > 0 del diafragma.
Figura 3
En un separador de isótopos es fundamental tener la máxi,
ma resolución posible de los diversos haces iónicos. SI poder
resolutor es, en el caso de un instrumento como el que estu
diamos, igual a
Por lo tanto, es conveniente disminuir a, ancho de la
imagen en el colector. Ello puede lograrse sea disminuyendo
el ancho de la ranura de la fuente de iones, lo que significa
disminuir la corriente iónica, o como puede verse en la figura,
conformando el diafragma de modo de tener la mejor imagen po­
sible .
14
El diafragma central fué conformado en base a esos cálcu
los (figura 4). Puede verse que el borde a^ es el que más
influye en el ancho de la imagen, para valores grandes.
Con
viene utilizar diafragmas de a, > ag.
Además, eliminar el
borde saliente de la izquierda de la imagen, lo que se logra
si el diafragma central tiene una forma tal que intercepta las
partículas de oc > 0 grande y |^3| grande. De esta manera, y
si utilizamos colectores de ranura curvada según la forma de
la imagen, se puede elevar al poder resolutor. Este debe ser
de por lo menos 170 para una ranura de salida de la fuente de
iones de 2 mm de ancho, y de 200 para una de 1 mm de ancho,
lo que significa que la imagen del colector tendrá un ancho
total de 6 mm en el primer caso y 5 mm en el segundo.
„
300
Figura 4
Realización del Campo Magnético Analizador.
El campo magnético del separador debe cumplir las condi^
ciones de ser axialmente simétrico y tener, en el plano de si
metría entre las piezas polares, únicamente la componente ver
tical del campo, B , de acuerdo a la ecuación ( 5 ) .
z
Esto puede realizarse mediante un imán cuyas piezas pola
res tengan un perfil coincidente con superficies equipotencia
les del campo magnético, pero es más practicable maquinar pie_
zas planas a las que se agregan placas correctoras. El primer
campo de Beiduk y Konopinsky fué realizado por langer y Cook
para un espectrómetro beta, y el perfil de esas piezas pola­
res fué adoptado en los separadores de isótopos de Amsterdam
y Berlin.
Con el propósito de determinar el perfil de las piezas po
lares para el separador a construir, fué hecho un modelo del
mismo en escala 1: 5, actualmente en uso como espectrómetro be
ta. Las determinaciones del campo magnético se realizaron con
un fluxímetro Varian, y una sonda que permitía desplazamientos
radiales y azimutales independientemente sobre el plano medio
( 3 = o).
15
Para definir la forma aproximada de las piezas polares de­
cidimos utilizar el método analógico, que de manera rápida per
mite una orientación sobre el mejor perfil a utilizar.
Analogía Eléctrica del Campo Magnético.
La figura 5 representa el campo magnético entre dos pie­
zas polares de hierro no saturado.
Í-J
—
1
1
\L
Jti
- 7 ?
Figura 5
Sea la ecuación
W = <f (z,r) + i D(r,z)
donde
(p = constante son líneas equipotenciales.
Ü - constante son línes de flujo.
Como en el espacio entre los polos es J = 0, se puede
representar el campo magnetostático por su potencial escalar
magnético.
H
-
Vf
Por lo tanto
ir
dz
A^ = 0
Además las derivadas normales de ^ al límite entre dos
medios de permeabilidades ju ^ y ytfg cumple la ecuación.
Hl-7
?
2
Si la permeabilidad del hierro es mucho mayor que la del
16
aire en toda la región considerada, se puede representar el
campo magnético mediante un campo eléctrico entre dos placas
de igual perfil que las piezas polares, que tengan alta conduc
tividad ( J ^ 1, sumergidas en un medio de baja conductividad
(J* R* 0.
De este modo las "piezas polares" eléctricas serán
aproximadamente equipotenciales, manteniendo entre ellas una
diferencia de potencial.
Se establece así la analogía
Inducción magnética
B
Densidad de corriente
i
Campo magnético
H
Campo eléctrico
E
Conductividad
6
Permeabilidad
Equipotenciales
magnéticos
f
Equipotenciales
eléctricos
r
líneas de flujo
magnético
U
líneas de flujo de
corriente
U'
La realización práctica de la analogía puede hacerse me­
diante el papel conductor (únicamente aplicable a problemas
bidimensionales). Para ello se utilizó una hoja de papel cubier
te con una capa homogénea de aquadag mediante un soplete,lo que
da una hoja conductora de una resistividad de 2000
cm" .
Las piezas polares fueron pintadas sobre el mismo mediante pin
tura conductora conteniendo plata metálica de 1.5
cm .
2
Utilizando un buen instrumento de cero se pueden trazar
los equipotenciales en forma rápida. Es fácil medir así el
potencial de las líneas por analogía directa, pero lo que in­
teresa es conocer B
en el plano medio, para lo que es más
conveniente determinar las líneas de flujo.
z
En un sistema bidimensional se puede determinar la fun­
ción U, conjugada de <^ , mediante un sistema de conducto­
res en el que las líneas de flujo de corriente de la analogía
eléctrica sean lo3 equipotenciales del nuevo sistema, que lia
mamos de analogía conjugada. Basta conocer (figura 5) dos lí
neas de flujo, por ejemplo 1 y 2.
Si se recortan del papel los electrodos originales, de mo
do que el perfil de las piezas polares sea no conductor, y se
trazan dos nuevos electrodos coincidentes con las líneas 1 y
2, las nuevas líneas equipotenciales serán líneas de flujo de
corriente del 3istema directo, y viceversa.
Las líneas 1 y 2 fueron determinadas por medición direc­
ta en el electroimán, y una vez aplicada la diferencia de po
17
tencial
- Tg
se midió el potencial a lo largo de
z = 0.
Su derivada es:
Figura 6
Este método fué aplicado a la determinación del campo pa
ra un caso conocido: dos polos paralelos; y- de esta manera se
pudo acotar el error, que resultó ser de 1.5j£.
Haciendo cor
•ees rectangulares en el papel conductor se tiene un efecto ana
logo a agregar placas de hierro en las piezas polares, y pro
cediendo de esta manera se obtuvo el perfil utilizado en las
piezas polares para el electroimán modelo.
Las medidas realizadas en éste con el fluxímetro nuclear
tenían un error de 0.02JÍ en la evaluación de la intensidad de
campo magnético en cada una de las posiciones de la sonda, de
la que se conocía la posición con un error de I
para el azi
mut y 0.5 mm para el radio.
o
El electroimán del separador fué construido con planchas
de hierro con 0.14$ de carbono, de 2 cm de espesor cada una,
y un peso total de 50 toneladas.
La remanencia del material
es de 10 Kilogauss para un campo coercitivo de 3.2 Oersted;en
la tabla siguiente se dan las características de la curva de
histéresis:
18
Curva de Histéresis
B (Gauss)
H (Oersted)
4
3500
5
6300
10
11000
20
14000
40
15600
60
16400
80
17000
100
17400
Para el cálculo del electroimán se tuvo en cuenta la ener
gía magnética en el entrehierro (W ) :
m
2
W = i
m
ffl
Ad
ri.
()
9
donde A y d son el área de las piezas polares y la distancia
entre estas, respectivamente. Para un haz de 10 en de altura
y 30° de abertura total la distancia entre polos debe ser de
17 cm, y el ancho de las piezas polares, teniendo en cuenta el
efecto de bordes, de 50 cm, como mínimo, si se quiere
que
el haz de iones tenga un radio medio de 100 cm. Usando esos
valores mínimos resulta, para un
B
de 0.45 Weber m ,
max
- 2
W = 23 000 joules.
m
Energía que debe tenerse en cuenta en el costo de mantenimiento
lo mismo que el consumo en el equipo de refrigeración. Este
equipo permite la circulación de agua a presión por el interior
de la bobina para disipar
.
Para mantener bajo el consumo de energía eléctrica la bo
bina debe ser de gran sección; el número de amperios - vuelta ne
cesario sale de la relación!
ni
B
a
1
a
B
p
^a
/*o ^p
1
p
B
y
1
y
7*o ^ y
(10)
19
son las longitudes del
donde
1,1,1
circuito magnético
a
p
y
en el aire, polos y yugo del electroimán respectivamente. De
las mediciones realizadas resulta:
1 = 0.17 m
a
B
1 = 1.8
P
"
B
1 = 3.0
y
"
=
0.43 Wbm~
a
Pa *
i
200
= -1.90
P
B =
y
800
1.45
4
y por tanto es ni = 7.7x10 A vueltas.
Para una bobina formada por 48 secciones de 1 2 vueltas ca
da una, la corriente debe ser I = 133 Amperios.
La eficiencia del electroimán es:
»d
n =
A
'
77*
6 H di
y el coeficiente de dispersión:
"fe
= 2.25
El núcleo tiene una sección apreciablemente mayor que el
del separador de Amsterdam, con lo que se logra una menor dis_
persión de campo. La bobina se construyó con tubo de aluminio
de sección cuadrada de 12 mm de lado, con un orificio central
de 5 mm de diámetro para la circulación del agua de refrigera
ción, con una longitud total de 4300 metros. Fué dividida en
48 espirales de 12 vueltas cada una, las que fueron soldadas
en atmósfera de argón y unidas en paquetes de a 4 espirales,
colocándose luego sobre el núcleo del electroimán. Fueron coló
cadas luego en su posición definitiva ]as piezas polares suple
mentarias, de manera que las placas del electroimán quedan per
fectamente alineadas, y entre las mismas las piezas polares
perfiladas para obtener el campo de Beiduk y Konopinsky, que
forman el tope y fondo de la cámara de vacío. las medidas rea
lizadas con el fluxímetro nuclear demostraron que el campo ra
dial diferia en menos de 0.5* respecto del teórico
entre
- 0.09-^ ¿^0.12.
Fuera de ese intervalo el error era superior al 0.5*, que es el valor máximo aceptable.
Una última corrección de las piezas polares permitió lie
gar al resultado actual, en que el error es menor de 0.5* en
la zona radial - 0.19 <• ¿ •< 0.13 (figura 7 ) .
£1 campo azimutal es en tí> =
if * 0 (figura 8 ) .
'
+
90,
un 3 * menor que en
20
Zona, útilstp. Amst.
L
i
•20
!
i
i
i
-.15
_ l
O
-.05
-JO
i
i
05
10
u
15
Figura 7 - Campo magnético y zona útil del entrehierro en los
separadores de Amsterdam y Buenos Aires.
J3
fio
Loo
•
>*
•
\
-0,99
1
-50»
1
-60°
1
"30*
-0,96
30»
i
Figura 8 - Campo azimutal.
60*
i
90*
i
21
±
0.
Figura 9 - Se ven los perfiles de las piezas polares
a) Separador de Buenos Aires.
b) Separador de Amsterdam.
c) Espectrómetro de Longer y Cook.
Figura 10 - Interior de la cámara de vacío del separador
con las placas correctoras colocadas.
22
Una mayor zona útil permite el pasaje de una mayor corrien
te de iones y un mejor poder resolutor.
Cabe observar aquí
que el resultado observado con los perfilea de Langer y Cook
no es reproducible en un separador de isótopos, ya que la esca
sa separación entre las piezas polares del espectrómetro de
esos autores, permite que el campo en los bordes no disminuya
muy rápidamente, como se ve en la figura.
Para lograr igual
resultado en un separador, deberían hacerse piezas polares mu
cho más anchas, aumentando por consiguiente el volumen de hie
rro del electroimán en una cantidad que se aprecia en un 50*.
Las mediciones realizadas en el colector del separador de
isótopos para el pico de 14jf, medido con un galvanómetro, y
para partículas oc medidas con un contador Geiger, confirmaron
los cálculos anteriores acerca de la resolución.
Fuente de Iones.
La fuente de iones consiste de un cátodo incandescente W,
figura 11, montado a corta distancia de una cámara de grafito
que sirve de ánodo.
Una ranura permite a los electrones emi
tidos penetrar a la cámara, acelerados por un potencial de unos
100 voltios, y el campo magnético del separador los obliga a
formar un haz colimador (8, 9 ) .
Los electrones primarios se mueven alo largo déla cámara
y forman una región de alta densidad iónica, la que decae expo
nencialmente con la distancia al arco. En esta región, en aái
ción a los iones del arco, los electrones secundarios forman
otros, el conjunto de los cuales se difunde a las paredes.
Aunque la ranura colimadora define el haz de electrones pri
marios, tiene además el efecto de limitar la corriente de iones que
se dirige al filamento. Esto se debe a la reducción de la presión de vapor cerca del filamento y a la intercepción de iones
que se desplazan hacia el mismo. Por lo. tanto los bordes déla
ranura que enfrentan la cámara de arco están sujetos a erosión
por varios tipos de iones de no muy alta energía (8 a 10 voltios). La cara que enfrenta al filamento recibe un apreciable
bombardeo de electrones primarios, del orden del 40* de emisión total, además de considerable radiación reflejada y dirac
ta que emite el cátodo incandescente, y material evaporado del
mismo y del reflector de electrones E. Debido a esto se util¿
zó grafito como material de construcción de la fuente alterados en su estructura cristalina, formándose compuestos de bajo punto de fusión que los destruyen por corrosión intergranulai;
El material a separar es en general sólido, y se lo calienta en un horno H hasta generar vapor que atraviesa una serie
de orificios 0 para entrar a la cámara de arco C; se evita que
entre por una sola abertura porque en tal caso no sería homogénea la ionización, y el borde del plasma estaría más cerca
de la ranura de extracción en la zona de mayor presión.
23
Sistema de Aceleración y Enfoque.
Para extraer los iones formados en la descarga y acelerarlos
se coloca frente a la ranura de extracción un electrodo a alta
tensión negativa. SI efecto es similar al de colocar una sonda
en el plasma: el electrodo queda rodeado por una capa con carga espacial que actúa como una pantalla, evitando que el campo
eléctrico del electrodo extractor perturbe al del plasma (10).
la figura 11 muestra el sistema acelerador. SI electrodo
extractor V es una placa de grafito con una ranura rectangular
sostenida por un tubo de acero inoxidable soldado a otro de c£
bre que está refrigerado por agua. Un segundo electrodo P, a
tierra, evita que haya un campo eléctrico en la cámara de vacío
del analizador.
SI haz de iones es de algunas decenas de miliamperes,y de
bido al efecto de carga espacial aparece un componente de cam
po eléctrico normal al eje del haz, que hace diverger las tra
yectorias. Esto disminuye grandemente el poder resolutor del
separador, por lo que es muy importante hacer mínimo dicho efec
to,que depende de la forma de los electrodos y de su posición.
Para determinar la geometría óptima se efectuó un estudio
de las trayectorias mediante el método analógico, el que permi
tió diseñar el sistema de lentes.
/
/
/
-r
Campo magnético
P
Pigura 12
\
y/,
24
Colector.
Las cámaras de colección son de grafito o cobre, montadas sobre Tina placa refrigerada por agua. Se pueden desplazar lateralmente o cambiar de manera de adaptarse al espectro
de cada elemento. Una pantalla de cobre movible, provista de
una ranura con la forma de la imagen del haz puede ser coloca
da frente al colector para el ajuste del separador en cada se_
paración. Este ajuste se realiza sea leyendo las corrientes
en el electrodo de medida, o modulando el haz con 50 c/s y en
viando la señal del electrodo a las placas verticales de un
osciloscopio, para tener en su pantalla el espectro de masa
tal como aparece en el colector.
Figura 12 - Cámaras de colección para isótopos de Zn.
Diversas ventanas de lucite en la cámara de vacío permiten
la observación del haz cuando la corriente es superior a los
100 uA.
Circuitos Eléctricos.
Los circuitos eléctricos utilizados son similares a los
del separador de Amsterdam (3, 13). Las fuentes principales
son las de alta tensión positiva (30 KV) y negativa (15 KV)
para la fuente de iones y electrodo de aceleración respectiva
mente; y la de excitación del electroimán.
25
estabilización.
El campo magnético debe ser muy estable, pues sus fluctúa
ciones causan variaciones en el radio del haz de iones, lo que
produce la mezcla de los isótopos en el colector. La estabili
dad requerida es (3):
_
AB
2
Como las fluctuaciones de B y V son independientes con
aideramos el caso límite en que solo una de ellas causa la va
riación total, durante la separación de dos isótopos de masas
200 y 201:
0.1 d
=
H
^OOO
>
AV
V
A
O-1 1 V4000 > - - L
=
H
B
Para estabilizar el campo magnético la corriente de exci
tación circula por una resistencia de manganina de 0.0005 íl o
0.0001 íl, de acuerdo a lá intensidad, sumergida en un baño ter
mostático de aceite. El potencial entre los bornes es compara
do con otro estable y la diferencia amplificada a través de un
circuito de tipo chopper. La tensión de salida va a un circuí
to que produce un defasaje en las grillas de los pentodos que
controlan al generador de corriente continua. La estabilidad
a corto término es 1: 10 000 y a largo término la mitad de esa
cantidad.
Para la fuente de iones se emplea un transformador de in
terfase con rectificador trifásico de onda completa, con una
salida de 0.3 A a 30 KV. La salida del equipo rectificador es
regulada por el método usual de válvulas en serie, con válvulas capaces de disipar una elevada potencia. Estas reciben la
señal diferencial amplificada obtenida por comparación con un
voltaje estable, la que se opone a cualquier desviación de la
carga normal, logrando así la estabilización deseada de la al
ta tensión positiva.
Las corrientes de arco, filamento y horno se obtienen de
la linea trifásica a través de un transformador 1:1 con aisla
ción para 50 KV. en conección triángulo estrella.
El centro
del secundario está conectado a la caja anticorona y al ánodo
26
de la fuente de iones.
Esta caja anticorona está aislada de
tierra mediante aisladores para 50 KV y contiene, además del
equipo estabilizador para la alta tensión positiva antes men­
cionado, un variac trifásico, transformador y rectificador de
selenio para la corriente de filamento, que es de 6 V a 300 A
con un ripple menor que 1*.
Otro sistema de variac, transformador y rectificador de
selenio proveen de corriente al arco: 200 V y 5 A, con ripple
menor de Vf>. El estabilizador de arco permite que, cuando ha
yan caídas de potencial en la carga por variaciones en la ies
carga estas queden automáticamente compensadas mediante un sis
tema de servomotores.
Un variac y transformador proporcionan corriente alterna
de hasta 250 A al horno, cuya temperatura se mide mediante una
termocupla.
Todas estas fuentes se regulan desde los paneles de con­
trol mediante relays y servomotores instalados bajo la caja
anticorona, unidos a los variacs mediante varas aisladas. La
caja anticorona está instalada en el subsuelo del laboratorio
y dos tubos de polivinilo de 50 KV de aislación conducen los
cables a la fuente de iones y a una segunda caja anticorona
instalada sobre el imán del separador, en la que están monta­
dos los instrumentos de medida de la fuente de iones,y el sis
tema de refrigeración de las mismas que hace circular agua en
circuito cerrado por su interior, la que se enfría mediante
un radiador refrigerado por aire.
Al producirse una descarga de alta tensión en la fuente
aparecen potenciales elevados en los más diversos lugares, de
modo que la fuente de iones está aislada de 2a caja anticorona
y del transformador aislador mediante chokes., instalados en
la caja anticorona superior. Se han colocado además resisten
cias dependientes del voltaje en todos los lugares en que apa
recen con frecuencia descargas.
Además de la estabilización de voltaje y corriente del
separador, se utiliza una sonda en el colector, formada por
dos agujas de tungsteno entre las que pasa el haz de iones de
determinado isótopo durante la separación.
Una variación de
la posición del haz hará que una de las agujas reciba más cp_
rriente, y la diferencia se amplifica a través de un circuí^
to que varía el potencial de aceleración para corregir
el
efecto.
Además una fracción de la corriente del haz alimenta un cir
cuito, que opera un relay que corta la alta tensión durante un
segundo si la corriente cambia su valor en más de un determi
27
nado porcentaje del elegido para una separación.
Esta varia
ción puede ocurrir a menudo debido a descargas de alta ten
sión, y tiene por efecto contaminar los isótopos separados, de
modo que durante la interrupción un servomotor cierra el colee
tor. Se hay sucesivas descargas, suena una alarma. La figura
13 muestra los paneles de control, y la figura 14 el diagrama
en bloque de los circuitos.
Figura 13
Sistema de Vacío.
-5
Se requiere un sistema que opere entre 1 y 10.10
mmHg
con un tiempo de evacuación corto en comparación con el de se
paración (14).
La cámara está constituida por los polos del electroimán
como base y tope, y las paredes son placas de bronce separadas
por columnas del mismo material, que distancian las piezas po
lares. El cierre estanco se realiza mediante cordones de goma
entre placas y columnas.
Una bomba Leybold con gasbalast de 50 m/s hace el vacío
grueso; el alto vacío se logra mediante una bomba difusora de
aceite de 60001/s, en cuya boca hay una válvula consistente en
un vastago y un disco de 8o cm de diámetro y el espesor nece
sario para soportar las varias toneladas de presión,que es c£
locada en su posición mediante un servomotor que puede operar
se desde el panel de control, u operada manualmente.
28
0)
•H
fe
29
Un sistema de alarma la cierra automáticamente en caso de
accidente. La caja de la válvula tiene en su interior un sis
tema de refrigeración a freon que impide el paso de los vapo
res de silicon a la cámara de vacío. En el interior del embu­
do de conexión del equipe de vacío a dicha cámara hay un segun
do refrigerante a nitrógeno líquido, para condensar los vapo­
res de halógenos que salen de la fuente de iones durante la
separación de determinados elementos.
La figura 15 es una vista general del
equipo de vacío y la caja anticorona.
separador con
el
En la figura 16 se puede apreciar la distribución general
de la instalación.
En la figura 17 se pueden observar los diversos isótopos
del zinc depositados en los correspondientes bolsillos del co_
lector, y en la figura 18 el espectro del Zn fotografiado en
la pantalla del osciloscopio. Los picos corresponden a los
isótopos 64, 66, 67, 68 y 70.
Figura 15
30
31
Figura 18 - Espectro de los isótopos del Zn fotografiado
en la pantalla del osciloscopio. los picos corresponden
a los isótopos 64, 66, 67,,68 y 70.
32
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