ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МАСС-СЕПАРАТОРЫ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МАСС-СЕПАРАТОРЫ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ РАБОТА

11.4. Масс-спектрограф А. О. Нира был первоначально предназначен для измерения относительных количеств изотопов, а не для разделения больших количеств. Используя пары бромистого урана, Нир приготовил несколько образцов с небольшими количествами разделенных изотопов урана. Однако, производительность его установки была очень низка, так как ионный ток был меньше одного микроампера. (Масс-спектрограф, в котором от источника к приемникам проходит 1 микроампер ионов урана[3], будет собирать около 1 микрограмма U-235 за 16 часов). Большая необходимость в получении обогащенного U-235 для ядерных исследований была впервые осознана Лоуренсом, и он решил выяснить, что можно сделать для этой цели с помощью 37-дюймового циклотронного магнита в Беркли. Эта работа в своей начальной стадии субсидировалась Исследовательской корпорацией Нью-Йорка.

11.5 Впоследствии субсидия была возмещена. Начиная с 1 января 1942 г., работа проводилась на средства ОСРД через Комитет S-1. Позднее, как и по другим частям проекта по урану, контракты были переданы «Манхэттенскому Округу».

11.6. В Беркли, после нескольких недель проектирования, 24 ноября 1941 г. 37-дюймовый циклотрон был демонтирован, а его магнит использован для создания магнитного поля в установке, названной впоследствии «калютроном» — название, представляющее сокращение от California University cyclotron. Ионы создавались с помощью электронного пучка, проходящего в парах соли урана. Этот ионный источник был расположен так, как это показано на рис. 5 в главе IX, стр. 175. Затем ионы ускорялись к щели S₂, через которую они проходили в область разделения, где магнитное поле изгибало их траектории в полуокружности, оканчивающиеся на щели коллектора. К 1 декабря 1941 г. был получен пучок молекулярных ионов остатков газа в камере, а вскоре после этого и достаточно интенсивный пучок однократно заряженных ионов урана U+. Было установлено, что значительная часть ионов, покидающих источник, является ионами U+. Для проверки разделения был установлен коллектор с двумя карманами, расположенными друг от друга на расстоянии, соответствующем массовым числам 235 и 238. В декабре были проведены два цикла накопления с использованием пучка низкой интенсивности. Малый коэффициент разделения, полученный из анализа результатов этих первых экспериментов, оказался все же значительно выше, чем в методе газовой диффузии. В середине января 1942 г. был проведен цикл накопления разделенных изотопов с пучком значительной интенсивности и с переработкой заметного количества вещества, и был достигнут значительно лучший коэффициент разделения.

К началу февраля 1942 г. были получены пучки много большей интенсивности, и Лоуренс сообщил, что с этими пучками могут быть получены хорошие коэффициенты разделения. К началу марта 1942 г. ионный ток был еще увеличен. Полученные результаты подтверждали предположение Лоуренса о том, что объемный заряд можно нейтрализовать ионизацией остаточного газа в камере.

НАЧАЛО БОЛЬШОЙ ПРОГРАММЫ

11.6. К этому времени стало ясно, что с помощью калютрона можно осуществить разделение в значительно большем масштабе, чем это когда-либо было достигнуто ранее электромагнитным методом. Очевидно, было желательно исследовать всю область электромагнитного разделения. Исходя из этого, Лоуренс мобилизовал свою группу в лаборатории излучения Калифорнийского университета в Беркли и привлек ряд исследователей из других лабораторий. Среди тех, кто с самого начала принимал участие в разработках, проводившихся в Беркли, были: Д. Кукси, П. К. Эберсолд, В. М. Бробек, Ф. А. Дженкинс, К. Р. Макензи, В. Б. Рейнольдс, Д. Г. Слоун, Ф. Оппенгеймер, Дж. Дж. Бэкус, Б. Петерс, А. К. Гельмгольц, Т. Финкельштейн и В. Е. Паркинс-младший. Лоуренс пригласил также некоторых своих прежних студентов, а именно: Р. Л. Торнтона, Дж. Р. Ричардсона и др. Среди лиц, временно работавших в Беркли, были: Л. П. Смит из Корнельского университета, Э. У. Кондон и Дж. Дж. Слепян от фирмы Вестингауз и И. Лэнгмюр и К. Г. Кингдон от Дженерал Электрик. В течение этого раннего периода И. Р. Оппенгеймер также работал в Беркли и внес ряд ценных идей. В конце 1943 г. группа Лоуренса была еще более усилена прибытием английских физиков во главе с М. Л. Олифантом (Бирмингамский университет).

11.7. Вначале было рассмотрено большое количество различных методов и проведено много очень важных экспериментальных исследований. Основные усилия, однако, вскоре были направлены на улучшение калютрона для получения большого коэффициента разделения и большого тока в пучке положительных ионов.

НЕОТЛОЖНЫЕ ЗАДАЧИ

11.8. Из трех очевидных ограничений, описанных в первом параграфе, трудности получения ионов, ограниченного относительного количества действительно используемых ионов и влияния объемного заряда — только последнее удалось устранить сразу. Оказалось, что объемный заряд в области пучка положительных ионов может быть нейтрализован в весьма значительной степени. Таким образом, неотложными задачами остались источник ионов большой производительности и более полное использование ионов.

11.9. Факторов, управляющих эффективностью источника ионов, много. Сюда входят как устройство самого источника, так и способы, с помощью которых из него извлекают ионы. Проблемы, подлежащие разрешению, не могут быть формулированы просто и должны быть решены в значительной степени эмпирическими методами. Если бы даже соображения секретности и позволяли произвести описание бесчисленных форм источников ионов и ускоряющих систем, которые были испытаны, подобное описание было бы слишком узко специальным, чтобы приводить его здесь.

11.10. Обращаясь к проблеме более полного использования ионов, мы должны детально рассмотреть принципы работы калютрона. Калютрон основан на том, что однократно заряженные ионы, движущиеся в однородном магнитном поле, перпендикулярном к направлению их движения, описывают круговые траектории с радиусами, пропорциональными их количествам движения.

Рис. 6.

Рассмотрим теперь поведение ионов одного определенного изотопа. Ионы, которые прошли через две щели и попали в эвакуированную область, где на них действует магнитное поле, не следуют все по одному единственному направлению, но имеют различные начальные направления, лежащие внутри малого угла (рис. 6). Величина этого угла зависит от ширины щелей. Траектории всех ионов рассматриваемого изотопа представляют собою окружности одного и того же диаметра. Поэтому ионы, начавшие двигаться по слегка различным направлениям, после прохождения полуокружности почти в точности снова собираются вместе. Именно у этого положения вторичного схождения ионов расположен коллектор. Ионы другого изотопа (например, ионы с атомным весом 238 вместо 235) ведут себя подобным же образом, за исключением того, что следуют по окружностям несколько отличного диаметра. Оба изотопа улавливаются коллекторами, находящимися в соответственных местах схождения ионов. Использование большего относительного количества ионов, образующихся в источнике, можно осуществить простым увеличением щелей. Но значительно расширять щели без потери остроты фокуса у места схождения не легко. В действительности, использование ионов может быть улучшено только применением тщательно подобранного местного изменения силы магнитного поля. К счастью, такие изменения осуществляются успешно.

11.11. Другой проблемой, не такой неотложной, но тем не менее важной для любой производственной установки, является возможно более эффективное использование магнитного поля. Так как большие электромагниты дороги как в постройке, так и в эксплоатации, было естественно рассмотреть использование одного и того же магнитного поля для нескольких пучков ионов. Практическая реализация такой экономичной схемы стала главной задачей лаборатории.

ГИГАНТСКИЙ МАГНИТ

11.12. Хотя масштаб разделения, достигнутый к марту 1942 г., во много раз превышал все, что удавалось получать раньше с помощью электромагнитных масс-сепараторов, он был еще очень далек от того, что требуется для производства вещества в количестве, имеющем военное значение. Однако, задачу нужно было решить именно в большом масштабе. С помощью 37-дюймового циклотронного магнита можно было получать полезные сведения, но, вместе с тем, было желательно использовать оборудование большего масштаба. К счастью, в Беркли изготовлялся очень большой магнит, предназначенный для гигантского циклотрона. Этот магнит с диаметром полюсов в 184 дюйма и расстоянием между полюсами в 72 дюйма был наибольшим из существующих. Работа над ним была прервана войной, но она была уже достаточно продвинута, так что могла бы быть окончена в течение немногих месяцев при наличии соответствующей субсидии. Не только сам магнит, но все вспомогательные здания, лаборатории, цехи и т. д. идеально подходили для постройки калютрона. Разумеется, работа над гигантским магнитом была продолжена, и он был готов к концу мая 1942 г. (Постройка гигантского циклотрона была предпринята на частные средства, отпущенные Рокфеллеровским фондом. Для быстрого осуществления постройки требовалась сверхурочная работа с дополнительными расходами. Чтобы покрыть эти затраты, Рокфеллеровский фонд сделал дополнительные ассигнования.).

ПОЛОЖЕНИЕ К СЕНТЯБРЮ 1943 г

11.13. Первые эксперименты, в которых был использован 37-дюймовый магнит, были описаны в предыдущем параграфе. Дальнейшее развитие продолжалось в основном по двум направлениям: постройка и монтаж технической разделительной установки с 37-дюймовым магнитом и проектирование и постройка экспериментальных разделительных установок с большим магнитом.

11.14. Кроме постепенного увеличения силы ионного тока и коэффициента разделения, что являлось результатом ряда усовершенствований источника ионов и ускоряющей системы, летом 1942 г. в опытах с гигантским магнитом было достигнуто многообещающее улучшение в использовании ионов. Оказалось возможным осуществлять более чем один ионный пучок в одной и той же разделяющей магнитной области. Однако, эксперименты, связанные с этой последней проблемой, встретили ряд трудностей. Оказалось, что существуют ограничения как в количестве источников и приемников, которые можно поместить в одной и той же установке, так и в силе тока, который может быть использован в каждом пучке без ухудшения разделения.

11.15. Очевидно, что для получения такого количества продукции, которое имеет военное значение, требуется много разделительных установок. Поэтому были изучены различные системы объединения групп установок в экономические аггрегаты. Была разработана схема, которая была использована в дальнейшем на действующих заводах и оказалась удовлетворительной.

ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ

11.16. К сентябрю 1942 г. как газовая диффузия, так и центробежный способ разделения изотопов уже интенсивно изучались, и притом в течение более длительного периода, чем электромагнитный метод. Оба эти метода — газовая диффузия и центрифуга казались пригодными для промышленного производства U-235, но требовали для успешного заводского разделения сотен ступеней. В действительности, значительных количеств U-235 получено не было. Промышленной установки для производства плутония также не было, и еще не была доказана возможность получать саморазвивающуюся цепную реакцию, необходимую для производства плутония. Но в случае электромагнитного метода, после успешного отделения количеств порядка миллиграмма, уже не возникали вопросы об осуществимости поставленной задачи с научной точки зрения. Если одна установка могла разделить 10 мг в день, 100 000 000 установок могли разделить одну тонну в день. Вопрос был в стоимости и во времени. Каждая установка должна была представлять собою сложное электромагнитное устройство, требующее высокого вакуума, высокого напряжения и сильных магнитных полей. Кроме того, прежде чем строить большие промышленные аггрегаты, нужно было произвести исследовательскую и техническую разработку широкого масштаба. Требовалось также привлечь большое количество высококвалифицированных работников. В то время все это казалось очень дорогим, но вместе с тем представлялось надежным и относительно быстро выполнимым. Малые размеры отдельных установок давали то преимущество, что разработка могла продолжаться; нововведения могли быть сделаны в процессе постройки или, в известных пределах, после постройки, а производительность могла быть всегда увеличена постройкой новых установок.

ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ

11.17. Не располагая еще полными научными и техническими данными по всем методам и твердыми оценками стоимости, необходимо было принять решения по трем пунктам: 1) строить ли электромагнитный завод, 2) насколько большим должен быть этот завод, 3) на какой стадии разработок должен быть принят окончательный проект.

УТВЕРЖДЕНИЕ ПОСТРОЙКИ ЗАВОДА

11.18. На основании результатов, полученных из экспериментов в Беркли летом 1942 г., Исполнительный Комитет на заседании 13–14 сентября 1942 г. рекомендовал, чтобы Армия дала заказ на постройку завода электромагнитного разделения в долине Тенесси (Клинтонский механический завод). Было рекомендовано пойти на то, что этот заказ в случае необходимости может быть аннулирован на основании данных, которые могут быть получены позднее. Была признана желательной постройка опытного завода в долине Тенесси в возможно более короткое время. (Эти рекомендации впоследствии были отменены, и опытный завод не был построен). Постройка производственной установки была утверждена генералом Гроувзом 5 ноября 1942 г. с условием, чтобы немедленно было прекращено проектирование опытной установки.

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА

11.19. При описании производства плутония мы рассмотрели разделение обязанностей между Металлургической лабораторией и фирмой Дюпон. Организация проектирования и строительства завода электромагнитного разделения была основана на несколько ином принципе. Обязанности были распределены между шестью основными группами. Лаборатории излучения Калифорнийского университета были поручены исследования и техническая разработка; фирме Westinghouse Electric and Manufacturing Co. — производство механических частей источников, приемников, насосов, камер и т. д.; фирме General Electric Co. — электрическое оборудование и приборы управления; фирме Allis-Chalmers Co. — магниты; фирме Stone and Webster Engineering Co. — постройка и монтаж и фирме Tennessee Eastman Co. — эксплоатация. Все пять фирм держали группы своих инженеров в Беркли, благодаря чему осуществлялась повседневно деловая связь и взаимный контроль. Таким образом основная часть проектирования проводилась совместно, хотя детали могли быть оставлены для разработки отдельным фирмам.

ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

11.20. Следует отметить тот странный факт, что хотя теория котла с саморазвивающейся цепной реакцией была хорошо разработана всего за два года, теория газового разряда, после пятидесяти лет интенсивного изучения, была все еще недостаточна для точного предсказания поведения ионов в калютроне. Количество U-235, накопленного в день, и его чистота зависят от таких факторов, как: (1) ширина, расположение и форма коллектора, (2) давление газа в магнитном пространстве, (3) напряженность и однородность магнитного поля, (4) форма и расположение определяющих щелей и ускоряющей системы, (5) ускоряющее напряжение, (6) размеры и форма щелей в дуговом источнике ионов, (7) ток дуги, (8) положение дуги внутри дуговой камеры, (9) давление пара в дуговой камере, (10) химическая природа пара. Для систематического изучения совместного действия всех этих факторов времени не было. Разработку приходилось вести в значительной мере по интуиции. Необходимо было изучить большое число разнообразных явлений и хотя бы частично их истолковать. Затем опыт, накопленный группой, и приобретенное «ощущение» проблемы нужно было превратить в конкретные проекты и указания.

НЕОБХОДИМЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

11.21. (а) Число ступеней. Как и во всех методах, приходилось искать компромисс между производительностью и коэффициентом разделения. В электромагнитной системе коэффициент разделения много выше, чем в других системах, так что необходимое количество ступеней мало. Вначале казалось возможным ограничиться одной ступенью, но уже первые исследования показали, что попытки повысить коэффициент разделения настолько, чтобы достаточно было одной ступени, приводили к снижению выхода до практически неприемлемой величины.

11.22. (b) Технические условия. Данные опытов по всем указанным выше факторам, определяющим работу разделительной установки, должны были перед началом строительства вылиться в решения по следующим основным пунктам; (1) размер установки, определяемый радиусом кривизны траектории иона, длина щели источника, устройство источников и приемников; (2) необходимая максимальная напряженность магнитного поля; (3) вопрос о том, нужно ли использовать ионные пучки с большой угловой расходимостью; (4) количество источников ионов и приемников на установку; (5) должен ли источник иметь высокий потенциал или потенциал земли; (6) количество ускоряющих электродов и максимальные потенциалы, приложенные к ним; (7) потребная мощность для дуг, для ускоряющего напряжения, для насосов и т. д.; (8) требования, предъявляемые к насосной установке; (9) количество установок на полюсной зазор; (10) количество установок в здании.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ В БЕРКЛИ

11.23. Разработка большей части проектов для первого завода в связи с результатами использования гигантского магнита в Беркли осенью 1942 г. должна была быть прекращена.

Однако, для проектируемого завода требовались установки несколько отличного типа. Хотя не было никаких оснований предполагать, что эти изменения повлияют на работу конструкции, было, очевидно, желательно построить модель установки в Беркли. Постройка ее была одобрена, примерно, в то же самое время, когда были заказаны первые установки для завода, так что опыт с ней не оказал влияния на основное проектирование. Эта установка была закончена и пущена в ход к апрелю 1943 г., т. е. за шесть месяцев до первой заводской установки, и принесла громадную пользу для целей испытаний и в деле обучения персонала. Позднее в здании для большого магнита в Беркли был установлен третий магнит. Всего в Беркли было сосредоточено шесть разделительных установок, с помощью которых велось опытное производство и выполнялись исследования. Помимо завершения этих установок была также проделана большая вспомогательная работа.

ИЗОТРОПНАЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

11.24. Как мы уже говорили, Г. Д. Смит стал изучать электромагнитные методы разделения в конце лета и осенью 1941 г. Его внимание в основном было направлено на метод использования широкого ионного источника и широкого ионного пучка вместо применяемых в калютроне узких пучков, ограниченных системой щелей. Метод, дающий разделение и использующий широкий источник ионов, был предложен Р. Р. Вильсоном (Принстон). Устройство, осуществленное по идее Вильсона, названо «изотроном».

11.25. Изотрон представляет собой масс-сепаратор, использующий широкий источник ионов, в отличие от щелевых источников, применяемых в обычных масс-спектрографах. Ионы от источника, имеющего большую поверхность, сперва ускоряются постоянным электрическим полем высокой интенсивности, а затем подвергаются действию слабого электрического поля высокой частоты, изменяющегося во времени пилообразно. Действие постоянного электрического поля заключается в том, чтобы направлять по трубе интенсивный пучок ионов, обладающих, одинаковой кинетической энергией. Скорости ионов будут при этом обратно пропорциональны квадратным корням из их масс. С другой стороны, переменное электрическое поле создает малые периодические изменения в скорости ионов. Это изменение скоростей приводит к тому, что, пройдя в трубе определенное расстояние, ионы «сбиваются в группу» (тот же самый принцип использован в генераторе высокой частоты, носящем название клистрон, где электроны «сбиваются в группу» или «модулируются по скорости»). Группы ионов с различными массами движутся с различными скоростями и, поэтому, разделяются. В точке, где это происходит (в действительности на площади, перпендикулярной пучку), специальное анализирующее устройство создает поперечное фокусирующее электрическое поле с радиочастотной компонентой, синхронизированной с приходом групп ионов. Синхронизация такова, что переменная компонента напряженности поперечного поля равна нулю, когда проходит группа ионов U-235 и достигает максимума, когда проходит группа ионов U-238. Таким образом, ионы U-235 фокусируются на коллекторе, а ионы U-238 отклоняются.

11.26. Эта схема была изложена 18 декабря 1941 г. на заседании Комитета по урану и немедленно после этого была обсуждена более полно с Лоуренсом, который посетил Принстон. Казалось, что метод может дать удовлетворительные результаты, и имеет смысл начать его экспериментальную разработку. Она была немедленно начата по контракту с ОСРД и продолжалась до февраля 1943 г. Так как идея была совершенно новая, возникли два основные вопроса: (1) возможна ли вообще работа на этом принципе и (2) может ли этот метод быть развит достаточно быстро для производства в промышленном масштабе, чтобы конкурировать с более «ортодоксальными» методами, уже разрабатывавшимися в то время.

11.27. Экспериментальный изотрон был построен и пущен в ход к концу января 1942 г. Предварительные эксперименты, проведенные в то время, показали, что изотопы лития могут быть разделены этим методом. Первое успешное частичное разделение изотопов урана было осуществлено весной 1942 г.

11.28. К сожалению, в течение лета и конца 1942 г. работа развивалась не так быстро, как это предполагалось вначале. Поэтому было решено приостановить эти работы в Принстоне и направить работников в лабораторию атомных бомб. Перед тем, как группа покинула Принстон, на небольшом экспериментальном изотроне она все же получила несколько образцов частично разделенного урана. Таким образом метод действовал, но возможности применения его в широком масштабе не были еще полностью исследованы.

МАГНЕТРОН И ИОННАЯ ЦЕНТРИФУГА

11.29. В декабре 1941 г. при обсуждении всей проблемы разделения изотопов в Беркли было предложено использовать магнетрон в качестве масс-сепаратора. Тем временем Смит из Принстонского университета связался с Л. П. Смитом из Корнельского университета и обнаружил, что последний и его студенты провели с успехом значительную работу по разделению изотопов лития точно таким же методом. Об этом было сообщено Лоуренсу в Вашингтоне в декабре 1941 г. на заседании Комитета по урану. Лоуренс немедленно связался со Смитом. После этого (с февраля по июль 1941 г.) Смит работал над данным методом в Беркли. Дж. Слепян из исследовательской лаборатории Вестингауза в Ист-Питсбурге прибыл по приглашению Лоуренса в Беркли зимой 1941-42 гг. и стал работать над модификацией магнетрона, которую он назвал ионной центрифугой. Слепян оставался в Беркли большую часть времени до конца 1942 г., после чего вернулся в Ист-Питсбург, где продолжал ту же работу.

11.30. Попыток разделения урана с помощью магнетрона в действительности предпринято не было. Эксперименты с литием при малой силе ионного тока дали некоторое разделение, но с сильными ионными токами никаких определенных результатов получено не было. При применении ионной центрифуги были собраны образцы урана, показывающие заметное разделение, но результаты были неясны или противоречивы.

ПОЛОЖЕНИЕ К НАЧАЛУ 1943 г

11.31. С исключением из программы изотрона и ионной центрифуги калютронный разделитель остался единственным вариантом электромагнитного метода, который интенсивно разрабатывался. Постройка первых установок завода была утверждена, и была выбрана их окончательная конструкция. Так как все работы по электромагнитному методу велись немного больше года, было очевидно, что имевшиеся проекты основывались скорее на проницательных догадках, чем на систематических исследованиях. Подобная ситуация могла бы возникнуть с котлом для цепных реакций, если бы можно было получить неограниченные количества урана и графита прежде, чем была разработана теория и достаточно хорошо определены ядерные постоянные. К счастью, характер обоих проектов был весьма различен, что делало ускоренную постройку электромагнитного завода менее рискованной, чем это было бы в случае котла. Дальнейшие исследования и разработка могли успешно продолжаться даже если бы первые установки завода были построены и уже работали.