Способ лазерного разделения изотопов лития

Изобретение относится к области разделения изотопов лития и может быть использовано для получения изотопически обогащенного лития. Способ лазерного разделения изотопов лития включает облучение паров хлористого лития (LiCl) резонансным инфракрасным излучением с длиной волны 14,79 мкм, 7,451 мкм, 5,006 мкм, 3,783 мкм, 3,050 мкм, 2,562 мкм, 2,213 мкм или 1,952 мкм, последующее воздействие лазерным излучением с диапазоном излучения оптическим или инфракрасным и интенсивностью более 3×1013 Вт/см2 и экстракцию образованных положительных ионов, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния LiCl. Изобретение обеспечивает повышение эффективности выделения изотопов лития лазерным излучением. 2 ил.

 

Изобретение относится к молекулярной физике, а именно к области разделения изотопов лития, и может быть использовано для получения изотопически обогащенного лития.

Методы лазерного разделения изотопов являются эффективными методами получения химических элементов определенного изотопического состава [Летохов B.C., Мур С.Б. Квантовая электроника, т. 3, вып. 3, 4, 1976 г.], что связано с возможностью значительного изотопического обогащения за один цикл. Лазерные методы разделения изотопов основаны на селективном возбуждении лазерным излучением электронных или колебательных уровней атомов или молекул определенного изотопического состава. Метод избирательной стимуляции одного молекулярного компонента в смеси [WO 9712373; МПК B01D 53/00; B01D 59/34; G01N 21/63; опубл. 1997.04.03] предполагает переход обоих компонентов в первое возбужденное состояние при первом импульсе лазерного излучения и выборочный переход одного компонента во второе возбужденное состояние при втором импульсе лазерного излучения длительностью порядка 10-15 с.

Способ разделения и обогащения стабильных изотопов в газовой фазе с использованием принципов спектрометрии ионной подвижности при атмосферном давлении (760 мм рт.ст.) и при комнатной температуре (298 К), согласно патенту US 6831271 [B01D 59/46; B01D 59/48; G01N 27/62; G01N 27/64; H01J 49/04; H01J 49/40; H01J 49/42, 2004.12.14], может быть использован для разделения и обогащения изотопов лития. Электроспрей-ионизация используется для создания газовой смеси ионов, и ионные пучки на выходе из сильного поля с асимметричной формой волны спектрометра подвижности ионов попадают в масс-спектрометр для идентификации изотопов.

Известен способ [патент RU 2530062 от 10.10.2014] лазерного разделения изотопов хлора, согласно которому осуществляют облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используется хлористый водород (HCl), длина волны резонансного инфракрасного излучения 3,782 мкм, диапазон лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность сильного лазерного излучения превышает 1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния НС1.

Известен способ [патент RU 2531178 от 12.10.2014] лазерного разделения изотопов водорода, включающий облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используется хлористый водород (смесь HCl и DCl), длина волны резонансного инфракрасного излучения 4,662 мкм, диапазон лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность превышает 1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и сильного лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния DCl.

Известен способ разделения различных изотопов по патенту GB 1529391 (B01D 59/34; G02B 27/00; H01S 3/08, 1978.10.18), согласно которому пар, содержащий смесь изотопов, облучают для возбуждения изотопов одного типа до повышенного колебательного состояния и перехода возбужденных изотопов на более высокий электронный уровень, на котором электронные заряды разделяются. Пар обеспечивает сильно насыщенную атмосферу, которая не является растворителем для изотопов.

Известен способ [патент GB 1473330, МПК B01D 59/34; B01J 19/12; G02B 27/00; H01S 3/00; H01S 3/094; H01S 3/22; от 23.10.1973] лазерного разделения изотопов, взятый за прототип, основанный на изотопически-селективном возбуждении молекул газовой фазы в процессе инфракрасного поглощения фотонов, который включает в себя следующие стадии: облучение молекул ИК-излучением с помощью ИК-лазера при интенсивности по крайней мере 104 Вт/см2 в течение времени от 10-10 до 5×10-5 с, причем молекулы, содержащие желаемый изотоп или изотопы, преимущественно возбуждены резонансным излучением и поглощают больше чем один квант ИК-излучения; преобразование возбужденных молекул в процессе облучения лазером оптического или УФ диапазона для осуществления фотодиссоциации, в котором возбужденные молекулы могут быть отделены от невозбужденных.

Селективное колебательное возбуждение считается наиболее трудным методом [Летохов B.C., Мур С.Б., цит. соч., стр. 253]. Это связано с тем, что, несмотря на простоту селективного колебательного возбуждения, затруднено дальнейшее выделение колебательно возбужденных молекул.

Задачей изобретения является устранение недостатков, присущих прототипу.

Технический результат заключается в повышении эффективности выделения изотопов лития лазерным излучением.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерного разделения изотопов лития, включающем облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, согласно изобретению в качестве исходного газа используются пары хлористого лития (LiCl). Длина волны резонансного инфракрасного излучения должна иметь одно из значений: 14,79 мкм, 7,451 мкм, 5,006 мкм, 3,783 мкм, 3,050 мкм, 2,562 мкм, 2,213 мкм или 1,952 мкм, диапазон сильного лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность превышает 3×1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и сильного лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния LiCl.

Предлагается использовать эффект антистоксова усиления туннельной ионизации молекул. Этот эффект, предложенный в работе [Kornev A.S., Zon B.A. Phys. Rev. A 86, 043401 (2012)] и более детально рассмотренный в работе [Kornev A.S., Zon B.A. Laser Phys. 24, 115302 (2014)] применительно к молекуле HF, состоит в значительном увеличении вероятности туннельного эффекта в лазерном поле для колебательно-возбужденных молекул. При туннельном эффекте в лазерном поле возможен неупругий процесс, когда часть энергии передается туннелирующему электрону от иных степеней свободы в атомах [Kornev A.S. et al. Phys. Rev. A 68, 065403 (2003); 69, 065401 (2004); 79, 063405 (2009); 84, 053424 (2011); 85, 035402 (2012)] или молекулах [Kornev A.S., Zon B.A., Phys. Rev. A 86, 043401 (2012); Kornev A.S., Zon B.A. Laser Phys. 24, 115302 (2014)]. Для молекул такими иными степенями свободы могут являться колебательные степени свободы ядер атомов, образующих молекулу. Предварительное возбуждение ядерных колебаний позволяет в результате туннельного эффекта образовывать ионы с преимущественным содержанием определенных изотопов, поскольку нейтральные молекулы разного изотопического состава имеют разные частоты колебательных переходов.

На фиг. 1 приведена таблица значений длины волн резонансного инфракрасного излучения для разных возбужденных колебательных состояний (υi=1, 2, …, 8).

На фиг. 2 показана зависимость отношения вероятности образования ионов Li6Cl+ из возбужденных колебательных состояний (υi=1, 2, …, 8) к вероятности образования ионов Li7Cl+ из основного колебательного состояния (υi=0), в зависимости от интенсивности лазерного излучения I. При этом предполагается, что молекулы LiCl содержат единственный изотоп Cl35.

Пары хлористого лития (температура кипения 1368°С при давлении 760 мм рт.ст.), содержащие смесь изотопов Li6 и Li7 (в природе распространенность этих изотопов составляет 7,5% и 92,5% соответственно), облучаются инфракрасным излучением с длиной волны λр в соответствии с данными из таблицы 1 для заселения υi-го колебательного состояния молекулы Li6Cl. После этого на объем газа, подвергшийся облучению с указанной выше длиной волны, воздействуют лазерным излучением оптического или ИК-диапазона, причем интенсивность излучения I должна быть достаточно высокой, чтобы ионизация проходила вследствие туннельного эффекта, то есть удовлетворять неравенству

,

где E0 - потенциал ионизации молекулы, λ - длина волны ионизирующего излучения, а = 0,529 Å = 0,529×10-10 м - атомная единица длины (боровский радиус), Еа = 27,2 эВ = 4,36×10-18 Дж - атомная единица энергии, Ia = 3,51×1016 Вт см-2 = 3,51×1020 Вт м-2 - атомная единица интенсивности, αе=7,23×10-3 - постоянная тонкой структуры.

Для молекулы хлористого лития LiCl эта интенсивность должна превышать 3×1013 Вт/см2 при длине волны ионизирующего излучения 1,3 мкм или 1,4×1013 Вт/см2 при длине волны ионизирующего излучения 2,0 мкм. Интервал времени между облучением резонансным инфракрасным излучением и мощным лазерным излучением не должен превышать времени жизни колебательного состояния, зависящего от давления и температуры газа. Вследствие туннельного эффекта преимущественно ионизуются колебательно-возбужденные молекулы, то есть молекулы Li6Cl. Далее путем экстракции положительных ионов получают хлористый литий с повышенным по сравнению с исходным содержанием изотопа Li6.

Из зависимости на фиг. 1 видно, что в оптимальных условиях, при интенсивности лазерного излучения ~1013 Вт/см2, вероятность образования Li6Cl+ превышает вероятность образования ионов Li7Cl+ более чем в 5 раз.

Способ лазерного разделения изотопов лития, включающий облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используются пары хлористого лития (LiCl), длина волны резонансного инфракрасного излучения должна иметь одно из значений 14,79 мкм, 7,451 мкм, 5,006 мкм, 3,783 мкм, 3,050 мкм, 2,562 мкм, 2,213 мкм или 1,952 мкм, диапазон сильного лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность превышает 3×1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния LiCl.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ректификационной установке, предназначенной для разделения изотопов бора или азота методами ректификации. Ректификационная установка содержит многоканальную колонну, нижний узел обращения потоков, включающий нижний буфер и испаритель, верхний узел обращения потоков, включающий верхний буфер, конденсатор и дозирующее устройство с раздаточными трубками.

Изобретение относится к области разделения изотопов йода и может быть использовано для получения изотопически обогащенного йода, а также при утилизации радиоактивных отходов.

Изобретение относится к способу разделения изотопов и к устройству для его осуществления и может быть использовано в атомной промышленности, в частности для разделения гексафторида урана, содержащего изотопы U235 и U238, а также в газонефтеперерабатывающей, металлургической и химической промышленности для разделения смесей газов, находящихся в газожидкостной смеси.

Изобретение относится к разделению изотопов элементов, в частности к способу получения изотопов неодима. Способ заключается в применении метода центрифугирования, в котором разделительный эффект определяется разностью молекулярных масс изотопов, при этом в качестве рабочего газа выбирают неодимсодержащее газообразное соединение из класса соединений повышенной летучести, полученных обработкой бета-дикетонатов неодима полифторированными эфирами этиленгликоля, полифторированными эфирами диэтиленгликоля или полифторированными формалями, определяют технологические параметры рабочего газа: зависимость давления насыщенного пара выбранного вещества от соответствующей ему температуры и температуру его разложения, выбирают температуру эксплуатации разделительной установки, обеспечивающую давление насыщенного пара, выбранного вещества не ниже 4 мм рт.ст., но не выше 0,8 от температуры разложения, и осуществляют нагрев и поддержание выбранной температуры эксплуатации разделительной установки, включающей коммуникации, контрольные и регулирующие устройства и газовые центрифуги.
Изобретение относится к неорганической химии и физике разделения веществ, в частности к технологии производства фторидных соединений урана и разделению его изотопов.

Изобретение относится к способу и устройству для очистки воздуха от трития и его концентрации в форме сверхтяжелой воды. Способ очистки воздуха от газообразного трития заключается в окислении трития воздуха в водородно-кислородном пламени. Устройство для очистки воздуха и концентрации трития в воде содержит герметично закрытую камеру для окисления трития при высокой температуре в водородно-кислородном пламени, газовая смесь для которого поступает из водородно-кислородного генератора, насос для вывода полученной смеси воздуха и водяных паров, холодильник для ее охлаждения, водяной фильтр для удержания конденсированной воды, оборудование для хранения трития.

Изобретение относится к ректификационному устройству для очистки воды от примесей в виде молекул воды, содержащих в своем составе тяжелые изотопы водорода и кислорода.

Изобретение относится к способу получения питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия и устройству для его осуществления. Способ включает охлаждение питьевой воды путем добавления гранул твердого диоксида углерода в соотношении воды к диоксиду углерода 1 : 10, перемешивание в течение 15-20 минут при скорости вращения мешалки 45-50 об/мин, обработку воды электромагнитным полем низких частот в интервале 18-48 Гц в процессе перемешивания, фильтрование через металлокерамический обеспложивающий фильтр с получением жидкой и твердой фаз, сбор жидкой фазы, обедненной дейтерием, нагревание и утилизацию твердой фазы.

Изобретение относится к области технологии разделения стабильных изотопов азота 14N и 15N. Способ концентрирования изотопов азота включает проведение противоточного массообменного процесса с использованием молекулярного азота в качестве рабочего вещества, при этом газообразную смесь изотопов азота приводят в контакт с раствором нитрогенильного комплексного соединения переходного металла, способного к термическому отщеплению молекулярного азота и вступающего с ним в реакцию химического изотопного обмена с накоплением 15N в одной из фаз, a 14N - в другой.
Изобретение относится к области получения радиоактивных изотопов, а более конкретно к технологии получения радиоактивного изотопа никель-63, используемого в производстве бета-вольтаических источников тока.

Изобретение относится к области разделения изотопов лития и может быть использовано для получения изотопически обогащенного лития. Способ лазерного разделения изотопов лития включает облучение паров хлористого лития резонансным инфракрасным излучением с длиной волны 14,79 мкм, 7,451 мкм, 5,006 мкм, 3,783 мкм, 3,050 мкм, 2,562 мкм, 2,213 мкм или 1,952 мкм, последующее воздействие лазерным излучением с диапазоном излучения оптическим или инфракрасным и интенсивностью более 3×1013 Втсм2 и экстракцию образованных положительных ионов, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния LiCl. Изобретение обеспечивает повышение эффективности выделения изотопов лития лазерным излучением. 2 ил.

Наверх