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同位素电磁分离器离子源控制系统的研制
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摘要：0引言 由于同位素的应用发展迅速、重要性与日俱增，同位素的应用从研究非常小的基本粒子，到非常大的行星和爆炸恒星；从研究很新的纳米技术，到非常古老的地质学；从人类自身
0引言
由于同位素的应用发展迅速、重要性与日俱增，同位素的应用从研究非常小的基本粒子，到非常大的行星和爆炸恒星；从研究很新的纳米技术，到非常古老的地质学；从人类自身的食品安全、医疗服务，到与人类息息相关的环境科学、生态科学都能找到。因此，发展同位素技术成为促进科技进步、实现经济繁荣、改善人身健康、保证国家安全不可或缺的重要举措[1]。在同位素中，稳定同位素不仅是多种放射性同位素的生产起点原料，本身也是重要的研究、诊断工具和特殊材料，有着比放射性同位素更为广泛、更加独特的用途。涉及人身安全的项目，要尽可能使用稳定同位素，而非放射性同位素。
同位素电磁分离器EMIS-170是我国唯一一台大型同位素电磁分离器，是浓缩生产具有重要军用、民用价值的高丰度稳定同位素的关键装置，已分离了29种元素的135种同位素。是获得星载铷钟所需的高丰度的铷同位素，微型镍电池核心材料高丰度的62Ni，高精度碱金属磁力仪核心材料高丰度K等军用稳定同位素唯一可行的方法。
为满足我国对高丰度稳定同位素的重大需求，打破部分特种同位素的国际垄断和技术封锁，必须提升同位素电磁分离器技术能力和工艺水平。自2011年开始，中国原子能科学研究院开展了同位素电磁分离器综合技术改造项目，2016年完成了对该设施的综合技术改造，同位素电磁分离器控制系统是此次改造项目的5个重点系统之一[2]。
同位素电磁分离器建于20世纪60年代，一些设备及系统已落后，系统存在着自动化程度低、所有设备均需手动操作、值班人员劳动强度大、操作易出错、运行参数调节精度低、生产过程无法集中监控的问题，影响了同位素的生产运行，存在安全隐患。尤其是在控制方面，原有同位素电磁分离器采用了落后的电气控制方式，这种控制方式连线多、结构复杂、体积大、功耗大、灵活性差、可扩展性差、可维护性差，原有的电源调节方式通过旋钮进行调节，调节精度低。
同位素电磁分离器控制系统控制对象主要包括：离子源系统、接收器系统、真空系统、冷却系统、安全防护系统等。主要介绍同位素电磁分离器离子源控制系统。
研制的新离子源控制系统通过计算机监测同位素电磁分离器离子源的运行参数，提供必要的连锁保护功能，防止操作员的误操作，根据模拟信号、开关量信号监测显示报警状态，定时记录离子源系统的参数并打印。
离子源控制系统中电源种类多，如何选取电源控制接口与控制系统连接，且要保证控制对象的响应时间和控制精度，对电源控制系统的结构和软件设计提出了严峻的要求。在同位素电磁分离器中，高压区域离子源打火是不可避免的，打火放电产生的电磁干扰影响设备和控制系统的正常工作甚至损坏，必须采取有效的措施消除影响，保证高压区域附近电源设备和控制系统稳定可靠的工作。
1离子源概述
离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置，是同位素电磁分离器系统的核心部件，其性能直接影响到电磁分离器的产能和浓缩丰度。离子源的性能主要体现在引出束流的品质，包括束流强度、束流稳定度等。
目前，中国原子能科学研究院的同位素电磁分离器，使用的离子源类型是Calutron型中温离子源属弧放电离子源(如图1所示)，该离子源系统主要包括：汽化放电装置、引出电极、高压绝缘与支撑结构、防打火装置、水冷装置等，它能产生大部分元素的离子，束流大，聚焦好，能在强电磁场、高真空、高温度、带电离子轰击和腐蚀气体包围下，可靠长期进行。从某种意义上讲，它决定了分离器性能[3]。
离子源控制系统主要用于控制与离子源连接的各高低压电源，就需要考虑高压打火等对控制系统的影响。控制系统的安全稳定直接影响离子源的性能。
2离子源的工作原理
离子源为产生束流的装置，离子源示意图见图2。其工作原理为：原料装在坩埚(7)中，经加热炉筒(9)加热气化后，通过蒸汽分配室(11)(即船形板)和分配板进入放电室(10)的放电区；加热灯丝(3)发射电子轰击阴极(4)，阴极发射的电子被电场加速和磁场约束，穿过电子窗(5)进入放电室并与气体分子发生碰撞电离，形成弧放电等离子体；离子经引出三电极系统(UA加速极电压、UF聚焦极电压和地电极(1)称为三电极系统)引出，形成具有一定能量和形状的离子束。
1.接地电极; 2.聚焦电极;3.灯丝;4.阴极;5.电子窗;6.离子引出缝;7.坩埚;8.热反射屏; 9.加热炉筒; 10.弧放电室; 11.蒸汽分配室;UA:加速电压;UF:聚焦电压。图2 同位素电磁分离器离子源结构图
文章来源：《计算机产品与流通》 网址: http://www.jsjcpylt.cn/qikandaodu/2021/0320/989.html
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