Разработка и исследования специализированного масс-спектрометра для изотопного анализа урана в газовой фазе

Масс-спектрометрия является основным методом прецизионного определения массы ионов, изотопного, элементного и молекулярного состава веществ, идентификации сложных смесей и определения их структуры. Масс-спектрометрические методы являются основой изотопного и элементного анализа продукции предприятий ядерного топливного цикла атомной промышленности, обеспечивая необходимый технологический контроль в процессе производства, а так же контроль и сертификацию готовой продукции. В настоящее время на предприятиях ядерно-топливного цикла эксплуатируются несколько сотен масс-спектрометров вышеуказанного назначения, в основном производства Сумского завода электронных микроскопов (в настоящее время ОАО «СЕЛМИ») — приборы ряда МИ-1201. Однако эти приборы созданы на базе анализатора и ионной оптики, разработанных в 70-е годы прошлого века, что не позволяет повышать их аналитические характеристики. Выпускаемые фирмой Finnigan МАТ масс-спектрометры МАТ-281, пригодные для решения указанных задач и обладающие требуемыми аналитическими параметрами, имеют существенный недостаток, состоящий в том, что стоимость их чрезвычайно велика.

Высокие требования к контролю технологических процессов и к сертификации готовой продукции вызвали острую необходимость замены основной части парка масс-спектрометрической аппаратуры, предназначенной для обеспечения конкурентноспособности поставляемой продукции зарубежным заказчикам. Кроме того, создание базовой модели, основные компоненты которой могут быть использованы во всем модельном ряде масс-спектральных приборов в атомной энергетике, обеспечивает более экономичный подход при серийном выпуске специализированных масс-спектрометров. Все это определяет актуальность разработки нового поколения масс-спектрометров для ядерной энергетики.

История развития отечественной масс-спектрометрии насчитывает не многим более полувека. И прежде всего это развитие изотопной масс-спектрометрии. Первые работы, как известно, были начаты в конце Великой Отечественной войны в Сухумском Физико-техническом институте созданием прототипа масс-спектрометра для изотопного анализа МС-1. Один из этих приборов № 1 был отправлен на «Маяк» в г.

Озерск, а прибор № 2 — на УЭХК, где он был приспособлен для изотопного анализа урана в гексафториде урана. В 1954 году работы по дальнейшему развитию масс-спектрометрического приборостроения были сконцентрированы в Ленинграде, в СКБ аналитического приборостроения Академии наук, где и были разработаны первые отечественные серийные масс-спеюрометры для изотопного анализа. В 1959 году, после вступления в строй Сумского завода электронных микроскопов, ему был передан из СКБ выпуск изотопного масс-спеюрометра МИ-1305, разработанного в Ленинграде. А в конце 60-х годов в г. Сумы, при тесном сотрудничестве со специалистами УЭХК, был разработан изотопный масс-спеюрометр МИ-1201, предназначенный для широкого применения в геологии, химии, атомной промышленности и т. д. В 80-х годах на Сумском заводе создается лаборатория Всесоюзного научно-исследовательского института радиационной техники (ВНИИРТ), и опять в тесном сотрудничестве со специалистами УЭХК, разрабатывается специализированный масс-спектрометр для изотопного анализа урана в гексафториде урана МИ-1201 АГ. Таким образом УЭХК обладает достаточно большим опытом в разработке масс-спектрометров для изотопного анализа.

Целью работы является разработка базовой модели специализированного масс-спеюрометра с улучшенными метрологическими характеристиками и надежностью для прецизионного контроля изотопного состава гексафторида урана в технологических процессах на всех этапах ядерно-топливного цикла.

Научная новизна работы.

В настоящее время теория статических масс-анализаторов разработана достаточно хорошо и оптимизация ионно-оптической схемы масс-анализатора не представляет собой принципиальных трудностей. Для многокаскадных масс-анализаторов корректно описаны все аберрации второго порядка и даже ряд основных аберраций третьего порядка. Это позволяет проводить оптимизацию ионно-оптической схемы масс-анализатора, используя для получения требуемых параметров любые конфигурации полей и полеобразующих электродов. Именно в связи с высоким уровнем развития этой теории масс-спектрометры различных фирм, специализированные для решения одних и тех же задач, имеют масс-анализаторы, близкие по ионно-оптическим параметрам. Однако масс-анализатор лишь обеспечивает возможности масс-спеюрометра при решении специальных задачопределяющим при этом является оптимальный выбор и сочетание трех основных элементов масс-спектрометра: источника ионов, масс-анализатора и детектора ионов. Причем при совместной оптимизации всех элементов масс-спектрометра должны учитываться не только ионно-оптические требования, но и требования к важнейшим аналитическим параметрам, таким как точность измерений, «память», низкий расход пробы и т. д., которые обеспечиваются системами ввода проб, системами электронного питания, обработкой масс-спектрометрической информации, конструкцией основных систем масс-спектрометра.

При разработке нового изотопного масс-спектрометра МТИ 350 Г,.

— теоретически обоснована, разработана и реализована оригинальная ионно-оптическая система магнитного секторного масс-спектрометра, включающая источник ионов, однокаскадный масс-анализатор и коллекторную систему, обеспечивающая высокую разрешающую способность масс-спектрометра одновременно с пропусканием ионно-оптического тракта близким к 100%;

— разработан источник ионов с электронным ударом открытого типа, оптимизированный для максимального использования молекулярного напуска пробы гексаф-торида урана, позволяющего существенно понизить фактор «памяти» масс-спектрометра при олределении изотопного состава урана;

— разработан оригинальный многоколлекторный приемник ионов нового типа, реализующий преимущества оптимальной фокусировки ионных пучков и позволяющий одновременно и с высокой точностью регистрировать изотопы урана-234,235,236,238;

— впервые теоретически обоснована, разработана и практически реализована новая система напуска, позволяющая существенно снизить расход дорогостоящих стандартных образцов и обеспечивающая представительность пробоотбора при молекулярном вводе газа в источник ионов;

— разработан новый аппаратно-программный комплекс для автоматического управления масс-спектрометром и обработки информации с применением современных статистических средств и языков программирования высокого уровня.

Практическая значимость работы состоит в создании базовой модели нового специализированного отечественного масс-спектрометра МТИ-350Г для контроля изотопного состава гексафторида урана в технологическом цикле разделительного производства. При создании масс-спектрометра реализован блочно-модульный принцип, позволивший выделить ряд принципиальных узлов и систем масс-спектрометра в виде базовой части, единой для масс-спектрометров серии МТИ-350 других назначений. Такой подход обеспечивает снижение затрат при серийном выпуске масс-спектрометров различного назначения для технологического контроля в ядерно-топливном цикле.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретического расчета, практической реализации и исследований оригинальной ионно-оптической системы изотопных масс-спектрометров серии МТИ-350;

2. Обоснование и реализация принципа блочно-модульного построения масс-спектрометра МТИ-350Г, как базовой модели серии;

3. Теоретический расчет, разработка и конструкторская реализация многоколлекторного приемника ионов для одновременной регистрации основных изотопов урана в широком диапазоне их содержания;

4. Результаты исследования эффекта «памяти» масс-спектрометра при изотопном анализе гексафторида урана и способы снижения его влияния на достоверность измерений;

5. Результаты выбора, разработки и конструкторской реализации системы ввода и подготовки проб с обеспечением молекулярного течения газа в источник ионов;

Апробация и публикации.

Основные положения диссертационной работы докладывались на заседаниях Координационного научно-технического Совета Минатома РФ в 1999;2002 годах, на Семинаре по изотопной масс-спектрометрии (Санкт-Петербург, 2000 г.), на XIX Симпозиуме по геохимии изотопов (Москва, 2001), на 1 Всероссийской конференции «Аналитические приборы» (Санкт-Петербург, 2002 г.), на конференции «Научное обеспечение безопасного использования ядерных энергетических технологий» (г. Удомля, 30.06−04.07.2003г.).

По теме диссертации имеются следующие публикации: 1. Штань А. С., Галль Л. Н., Сапрыгин А. В., Калашников В. А. и др. Масс-спектрометрический комплекс для контроля изотопного состава урана в разделительном производстве. // Атомная энергия. — 2004. — Т. 96. — вып. 1. — С. 49−60.

2. Сапрыгин А. В., Калашников В. А., Малеев А. Б. и др. Результаты испытаний для целей утверждения типа масс-спектрометра МТИ-350Г. // Аналитика и контроль. -2003. — Т. 7. — № 4. — С. 405—411.

3. Галль J1.H., Сапрыгин А. В., Калашников В. А., Малеев А. Б. и др. Разработка ионно-оптической системы источника ионов масс-спектрометра МТИ-350Г // Аналитика и контроль. — 2003. — Т. 7. — № 4. — С. 362−366.

4. Галль Л. Н., Сапрыгин А. В., Калашников В. А., Малеев А. Б. и др. Методы моделирования и программное обеспечение для разработки ионно-оптических систем источников ионов масс-спектрометров. Разработка ионно-оптической системы источника ионов масс-спектрометра МТИ-350Г. // Аналитика и контроль. — 2003. — Т. 7.-№ 4.-С. 367−379.

5. Штань А. С., Сапрыгин А. В., Калашников В. А., Малеев А. Б. и др. Разработка первого российского масс-спектрометра для изотопного анализа гексафторида урана типа МТИ-350Г. // Аналитика и контроль. — 2003. — Т. 7. — № 4. — С. 355−361.

6. Галль Л. Н., Калашников В. А., Малеев А. Б. и др. Источник ионов для масс-спектрометрического изотопного анализа газов. III. Разработка источника ионов специализированного масс-спектрометра МТИ-350Г для изотопного анализа гексафторида урана // Научное приборостроение. — 2002. — Т. 12. — № 1. — С. 35−39.

7. Галль Л. Н., Сапрыгин А. В., Калашников В. А., Малеев А. Б., Методы моделирования и программное обеспечение для разработки ионно-оптических систем источников ионов масс-спектрометров. // Научное приборостроение. — 2003. Т. 13. — № 4. -С. 3−21.

8. Штань А. С., Галль Л. Н., Калашников В. А., Малеев А. Б., и др. Масс-спектрометрический комплекс для контроля изотопного состава урана в разделительном производстве МТИ-350Г. //Вопросы атомной науки и техники, Сер. Техническая физика и автоматизация. М.: ВНИИТФА. — 2004. — Вып. 57. — С. 3−16.

Состав диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы,.

4.5 Выводы.

1. Проведены полные испытания опытных образцов масс-спектрометра МТИ-350Г. Получены все аналитические характеристики, которые определяют возможности масс-спектрометра. Показано, что эти характеристики не уступают, а по некоторым параметрам превосходят аналогичные приборы, которые были определены в Техническом задании.

2. Выполнена оценка метрологических характеристик опытного образца масс-спектрометра МТИ-350Г с помощью стандартных образцов изотопного состава урана. Измерения выполнены в шести диапазонах содержаний изотопов урана. Показано, что характеристики прибора соответствуют установленным в Техническом задании параметрам.

3. Проведены ресурсные испытания масс-спектрометра с целью оценки пригодности прибора к применению его для изотопного анализа ГФУ на производственных участках. Опробованы различные масс-спектрометрические методики анализа.

Заключение

.

При разработке специализированного масс-спектрометра МТИ-350Г для прецизионного изотопного анализа урана в газовой фазе ставились три основные задачи:

• Разрабатываемый масс-спектрометр должен полностью соответствовать отраслевым нормам и стандартам при прецизионном изотопном анализе гексафторида урана в разделительном производстве урана;

• Разрабатываемый масс-спектрометр по своим аналитическим характеристикам, надежности, уровню автоматизации, программному обеспечению, внешнему дизайну и удобству работы должен отвечать мировым требованиям к приборам этого класса.

• Разрабатываемый масс-спектрометр должен стать головным прибором нового ряда отечественных специализированных масс-спектрометров для решения всей гаммы технологических и научных задач ядерного топливного цикла.

Поставленным задачам разработки головного масс-спектрометра были подчинены все технические решения, реализованные в ходе выполнения проекта, а именно:

1. В результате проведенных исследований создана базовая модель для серии специализированных масс-спектрометров с улучшенными аналитическими параметрами с целью аналитического обеспечения производств ядерно-топливного цикла.

2. На основе расчетов и экспериментов разработан, сконструирован и испытан специализированный масс-спектрометр для изотопного анализа урана в газовой фазе МТИ-350Г, который внесен в Государственный реестр средств измерений и производство его начато на Уральском Электрохимическом комбинате.

3. При разработке ионно-оптической системы магнитного секторного масс-анализатора ее параметры задавались такими, чтобы удовлетворить требованиям не только изотопного анализа урана в газовой фазе, но и комплексу требований твердофазного изотопного анализа урана и плутония, а также быть пригодной для решения задачи химического анализа микропримесей фторидов металлов в гексафториде урана. Рассчитанная и оптимизированная ионно-оптическая система масс-спектрометра МТИ-350Г в полной мере отвечает требованиям, возникающим при решении всех перечисленных задач.

4. При разработке конструкции нового масс-спектрометра был реализован блочно-модульный принцип его построения, что позволило выделить базовую часть прибора — основную несущую конструкцию, включающую магнитный масс-анализатор с полеобразую-щим электромагнитом и каналом его питания, элементы вакуумной системы и силовые блоки питания, единые для всех модификаций масс-спектрометра. Такое конструктивное решение прибора позволяет стандартизовать более 50% аналитической части масс-спектрометров всех назначений, существенно упростить их изготовление и снизить их себестоимость.

5. При разработке источника ионов с электронным ударом был проведен комплекс расчетных и технологических работ, позволивших оптимально использовать ввод гексафторида урана в область ионизации в виде молекулярного пучка для оптимизации условий ионизации, отбора ионов, формирования ионного пучка и последующей его транспортировки через масс-анализатор. Это позволило не только повысить чувствительность масс-спектрометра в целом, но одновременно снизить «память» и фон рассеянных ионов, т. е. наряду с повышением чувствительности масс-спектрометра повысить также его изотопическую чувствительность.

6. При разработке многоколлекторного приемника ионов были в полной мере использованы достоинства ионно-оптической схемы: стабильность в сохранении дисперсии и высокий порядок фокусировки. Это позволило упростить конструкцию приемника ионов, повысить его надежность и снизить себестоимость.

7. Для реализации методик высокопрецизионного анализа гексафторида урана во всех диапазонах концентраций разработана новая система напуска, позволяющая существенно снизить расход дорогих стандартных образцов;

8. При разработке системы автоматического управления масс-спектрометром и обработки информации были впервые реализованы технические решения повышенной надежности, включающие применение промышленного компьютера и разработан новый комплекс аппаратно-программных средств обработки информации.

9. Экспериментальные испытания вначале — макета, а затем — двух опытных образцов позволили с высокой надежностью установить все значимые параметры масс-спектрометра МТИ-350Г, как ионно-оптические, так и аналитические. Было показано, что дисперсия масс-анализатора полностью соответствует расчетной и хорошо воспроизводится от образца к образцу.

10. Аналитические параметры масс-спектрометра уже при ускоряющем напряжении 5 кВ превышали аналогичные параметры масс-спектрометров-аналогов, в то время как диапазон масс прибора повышался до 600, что может быть существенным при его применении в химическом анализе веществ. Сравнение аналитических параметров МТИ-350Г с масс-спекгрометрами-аналогами представлено в таблице 18.