基于磁质谱原理的新型同位素质量分离器的数值研究

基于磁质谱原理设计了新型同位素质量分离器。不同质量的离子在轴对称电场和磁场中聚焦于不同位置并进入各自收集器,从而实现质量分离。由哈密顿原理推导出离子在分离器中运动轨迹的解析方程,结合电子恒温磁流体力学方程构建等离子体束流轨迹的混合数学模型。基于该混合数学模型,应用matlab模拟等离子体束流的聚焦和质量分离。从仿真结果可以看出,当忽略鞘层屏蔽效应时,束流在电场力作用下绕着对称轴做螺旋运动;当考虑鞘层屏蔽效应时,电子在弱磁场中受束缚作用较小,在鞘层中迅速积累,外电场很大程度上被鞘层屏蔽,束流运动半径迅速增加,尚未聚焦就到达外电极。随着轴向磁场的增强,鞘层屏蔽效应减弱。通过选取适当的磁场强度,可使不同质量的离子按荷质比的顺序分离,聚焦点的距离取决于离子质量。本研究对等离子体束流电磁控制进行了探索,该结果可为高纯度物质质量分离器的研制奠定理论基础。