СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ИТТЕРБИЯ Российский патент 1998 года по МПК B01D59/00 B01D59/34 C01G57/00 

Изобретение относится к технике лазерного разделения изотопов и может быть использовано для промышленного производства изотопов иттербия.

Известны способы разделения изотопов, основанные на многоступенчатой ионизации паров металлов для получения изотопно обогащенной плазмы ( Летохов В. С. и др. Химия плазмы.- М.: Атомиздат, 1977, вып. 4, с.3). Эти способы связаны, как правило, с научными исследованиями и не могут иметь промышленного значения вследствие малых количеств выделяемых изотопов.

Наиболее близким техническим решением является способ разделения изотопов иттербия путем последовательного двухступенчатого изотопически селективного возбуждения атомов и перевода их в автоионизационные состояния, осуществляемых перестраиваемым лазерным излучением, длины волн которого на первой ступени возбуждения составляют 555±1 нм (Балыкин В.И. и др. Лазерное детектирование единичных атомов, УФН, 1980, т.132, вып.2, с.328).

Указанный способ позволяет получать в конце процесса практически ценный изотоп иттербий-168 в промышленных масштабах за счет определенных переходов атомов из одних возбужденных состояний в другие. При этом, если на первой ступени возбуждения используемые длины волн лазерного излучения (555±1 нм) не оказывают сильного влияния на процесс, то на второй ступени в известном решении длина волны фиксирована и составляет 581,0670 нм для обеспечения перехода атома в возбужденное состояние с энергией 35197 см^-1.

Недостатком известного способа является то, что несмотря на получаемую эффективную количественную наработку иттербия-168 попутно идет процесс наработки других изотопов.

Целью изобретения является повышение селективности процесса разделения по изотопу иттербий-168, т.е. уменьшение доли попутно нарабатываемых изотопов и соответствующее повышение степени обогащения конечной плазмы по иттербию-168.

Указанная цель достигается тем, что лазерное излучение на второй ступени возбуждения выбирают в диапазоне длин волн от 581,0770 нм до 581,0795 нм.

При этом оказывается целесообразным использование более высоких по энергиям автоионизационных состояний, облегчающих процесс экстракции ионов иттербия-168 на конечном этапе процесса. Для этого при переводе возбужденных атомов в автоионизационное состояние лазерное излучение выбирают с длинами волн 503 нм, 528,5 нм, 537 нм, 602,5 нм.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена определенная авторами на основе экспериментальных работ зависимость селективности C_n процесса разделения некоторых изотопов иттербия (относительная доля данного изотопа в плазме, из которой осуществляется экстракция ионов) от длины волны λ₂ лазерного излучения на второй ступени возбуждения. Кривая 1 соответствует изотопу иттербий-174, кривая 2 - иттербий-173, кривая 3 - иттербий-170, кривая 4 - иттербий-168. Вертикальная линия 5 обозначает длину волны лазерного излучения для прототипа, а заштрихованная область 6 - диапазон длин волн в соответствии с изобретением.

Сущность способа заключается в следующем. Вначале на первой ступени возбуждения лазерным излучением с длинами волн 555±1 нм стимулируют переходы из основного состояния атомов с нулевой энергией в возбужденное состояние с энергией 17992 см^-1. На этой стадии процесса выбор длин волн не является особенно критическим с точки зрения решаемых задач, и указанный переход происходит достаточно эффективно при указанных отклонениях от основной длины волны (в частности, в прототипе выбрана длина волны 555,648 нм).

На второй ступени возбуждения лазерное излучение выбирают в отличие от прототипа в диапазоне длин волн от 581,0770 нм до 581,0795 нм. Как показано на чертеже (см. заштрихованную область 6), при работе в этом диапазоне установлено быстрое нарастание селективности процесса разделения для иттербия-168. При меньших длинах волн уровень селективности составляет менее 0,14%, т. е. не выше естественного изотопного состава иттербия-168. В частности, для длины волны 581,0670 нм, используемой в прототипе, обогащенная плазма более чем на 90% состоит из изотопа иттербий-174 (см. вертикальную линию 5). При выходе выбранного диапазона в сторону увеличения длин волн наблюдается заметное снижение уровня наработки иттербия-168, что является ограничением промышленной применимости способа. В то же время при выбираемых длинах волн внутри этого диапазона обеспечивается приемлемый уровень наработки в сочетании с высокой селективностью, что в целом приводит к увеличению производительности процесса разделения.

На третьей заключительной стадии процесса разделения возбужденные атомы иттербия переводят в автоионизационное состояние. В этом состоянии атомы распадаются на ионы и электроны, которые затем выводятся из объема электрическим полем (экстракция). Для обеспечения этой стадии могут быть использованы длины волн, указанные в прототипе 574,38 нм и 582,79 нм. Однако, как показано авторами экспериментальным путем, в условиях повышенной селективности, достигаемой выбором длин волн лазерного излучения на второй ступени возбуждения, появляется возможность без потери эффективности разделения осуществлять переход автоионизационные состояния более высоких энергий, в частности следующих значений 52816, 53276, 54042, 54407 см^-1. Для этого могут быть использованы длины волн 503 нм, 528,5 нм, 537 нм, 602,5 нм. Для указанных более высоких по энергии автоионизационных состояний реализуется дополнительный эффект, заключающийся в облегчении экстракции ионов иттербия-168, что может быть объяснено повышением температуры электронов и более быстрым разлетом плазмы по сравнению с направленным движением паров от источника.

Пример. Для реализации способа использовались три лазера: на первой ступени возбуждения со спектром в диапазоне длин волн 555±1 нм, на второй ступени - 581,0790 нм, на заключительной стадии - 537 нм. Ширина линии - 1 ГГц. Металлический иттербий нагревали в испарительной системе до температуры 750-1000 K. Истекающие пары подвергали воздействию трех лазеров, пространственно совмещенных в зоне ионизации. Образующиеся ионы отводили на приемное устройство с помощью электрического поля. При выбранных режимах доля ионизованного иттербия-168 доходила до 95-98% изотопного состава.

Источники информации:
1. Летохов В. С. и др.: В сб. Химия плазмы. - Вып.4. -М.: Атомиздат, 1977,с.3.

2. Балыкин В. И. и др. Лазерное детектирование единичных атомов. УФН, 1980, т.132, вып.2, с.328.

Изобретение предназначено для технологии изотопов и может быть использовано при промышленном производстве изотопов иттербия. Металлический иттербий нагревают до 750-1000 К. На пары воздействуют излучение трех лазеров. На первой стадии лямбда 555±1 нм. Атомы изотопов переходят в возбужденное состояние с энергией 17992 см^-1. На второй стадии лямбда от 581,0770 до 581,0795 нм. Третья стадия - перевод возбужденных атомов в автоионизационное состояние, лямбда 503, 528,5, 537 или 602,5 нм. Резко возрастает селективность разделения по иттербию - 168 (до 95-98%). 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ разделения изотопов иттербия путем последовательного двухступенчатого изотопически селективного возбуждения атомов и перевода их в автоионизационное состояние, осуществляемых перестраиваемым лазерным излучением, длины волн которого на первой ступени возбуждения составляют 555 ± 1 нм, отличающийся тем, что лазерное излучение на второй ступени возбуждения выбирают в диапазоне длин волн от 581,0770 до 581,0795 нм. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при переводе атомов в автоионизационное состояние лазерное излучение выбирают с длиной волны 503 нм. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при переводе атомов в автоионизационное состояние лазерное излучение выбирают с длиной волны 528,5 нм. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при переводе атомов в автоионизационное состояние лазерное излучение выбирают с длиной волны 537 нм. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при переводе атомов в автоионизационное состояние лазерное излучение выбирают с длиной волны 602,5 нм.