СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ТАЛЛИЯ Российский патент 2008 года по МПК B01D59/50 B01D59/34 B01D59/42 

Изобретение относится к квантовой электронике и лазерной технологии и может быть использовано в ядерной физике для разделения изотопов.

Известен способ выделения изотопов таллия (заявка WO 2004011129, МПК 7 В01D 59/34 на изобретение «Method for Isotope Separation of Thallium» авторов Jeong Do-Young, Ко Kwang-Hoon, Lim Gwon, Kim Cheol-Jung, опубликованная 05.02.2004 г.), заключающийся в создании пучка атомов таллия, в последующем многоступенчатом возбуждении атомов требуемого изотопа лазерным излучением, включающем последовательно первую ступень - возбуждение излучением с длиной волны 378 нм атомов таллия в возбужденное состояние и их переход посредством спонтанного излучения в метастабильное состояние, вторую ступень - возбуждение атомов из метастабильного состояния в промежуточное, резонансное состояние излучением с длиной волны 292 нм и, наконец, фотоионизация излучением с длиной волны в диапазоне от 700 до 1400 нм и финальную операцию - извлечение ионизованных атомов требуемого изотопа из пучка посредством электростатического коллектора.

К недостаткам технического решения относятся большие затраты энергии, невысокая надежность способа и невысокое качество лазерного луча. Большие затраты энергии обусловлены использованием лазеров с высокой выходной мощностью. Невысокая надежность и низкое качество лазерного луча являются следствием необходимости преобразования излучения во вторую гармонику. Кроме того, известному техническому решению присуща большая затратность в связи с тем, что использование для многоступенчатого возбуждения атомов трех лазерных лучей требует для их совмещения сложных и дорогостоящих оптических систем, а также и в связи с использованием в способе двух ультрафиолетовых лазеров, излучение которых имеет высокую стоимость из-за их низкого коэффициента полезного действия. Последнее обстоятельство является также дополнительной причиной невысокой надежности способа.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является способ выделения изотопов таллия (патент Японии №20002628866, МПК В01D 59/34, В01D 59/50 на изобретение «Atomic Vaporizer Isotope Separation for 203 Thallium and 210 Lead Isotopes», авторов Scheibner Karl F., Christopher A. Heinamu, Michael A. Johnson, R.F. Wordon, опубликованный 26.09.2000 г.), заключающийся в создании пучка атомов таллия, в последующем многоступенчатом возбуждении атомов требуемого изотопа лазерным излучением, включающем последовательно первую ступень - возбуждение атомов таллия из основного состояния в промежуточное, близкое к резонансному, вторую ступень - возбуждение из промежуточного состояния в финальное, являющееся состоянием Ридберга, и финальную операцию - проведение ионизации атомов требуемого изотопа таллия посредством наложения электрического поля с извлечением ионизованных атомов требуемого изотопа из пучка.

К недостаткам технического решения относятся большие затраты энергии, недостаточно высокая надежность способа и невысокое качество лазерного луча. Большие затраты энергии обусловлены использованием лазеров с высокой выходной мощностью. Невысокая надежность и низкое качество лазерного луча являются следствием необходимости преобразования излучения во вторую гармонику. Кроме того, известное техническое решение обладает высокой затратностью, главным образом, в связи с использованием излучения ультрафиолетового лазера в области длин волн 377,7 нм, имеющего высокую стоимость.

Техническим результатом изобретения является снижение энергетических затрат и повышение надежности способа. Также изобретение направлено и на снижение затратности.

Технический результат достигается тем, что в способе выделения изотопов таллия, заключающемся в том, что создают пучок атомов таллия и проводят многоступенчатое возбуждение атомов требуемого изотопа, после чего осуществляют ионизацию атомов требуемого изотопа и извлекают ионизованные атомы из пучка посредством наложения электрического поля при условиях, обеспечивающих выделение требуемого изотопа таллия, многоступенчатое возбуждение атомов требуемого изотопа проводят в две стадии, а именно посредством стадии возбуждения лазерным излучением с использованием лазера на самоограниченном переходе и при условиях, в совокупности обеспечивающих выделение требуемого изотопа таллия, осуществляемой в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, в сочетании с предшествующей ей стадией возбуждения газовым разрядом, осуществляемой в процессе создания пучка атомов таллия путем испарения металлического таллия в испарительной камере и зажигания в ней газового разряда, посредством которого проводят возбуждение атомов таллия в метастабильное состояние, при условиях, в совокупности обеспечивающих переход атомов таллия в метастабильное состояние, после чего формируют в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, пучок атомов таллия в возбужденном метастабильном состоянии.

В способе для создания пучка атомов таллия и проведения стадии возбуждения газовым разрядом, осуществляемой в процессе создания пучка атомов таллия, испарительную камеру, содержащую металлический таллий, нагревают до температуры, обеспечивающей создание в испарительной камере равновесного давления паров атомов таллия, и создают равновесное давление паров атомов таллия.

В способе испарительную камеру, содержащую металлический таллий, нагревают до температуры 600-660°С и создают равновесное давление паров атомов таллия, равное 1-10 Па.

В способе стадию возбуждения лазерным излучением проводят в две следующие друг за другом ступени, на первой ступени атомы таллия, находящиеся в возбужденном метастабильном состоянии, излучением лазера на самоограниченном переходе с длиной волны, обеспечивающей возбуждение в резонансное состояние атомов требуемого изотопа, возбуждают в резонансное состояние, затем на второй ступени атомы требуемого изотопа таллия, находящиеся в возбужденном резонансном состоянии, лазерным излучением с длиной волны, обеспечивающей переход в состояния Ридберга, возбуждают в состояние Ридберга, причем на обеих ступенях возбуждения лазерным излучением используют импульсный режим, на первой ступени длительность импульса излучения выбирают соизмеримой со временем жизни возбужденного атома таллия в резонансном состоянии и ограничивающей обратный переход в метастабильное состояние, а на второй ступени длительность импульса излучения выбирают ограничивающей обратный переход в возбужденное нижерасположенное состояние из возбужденного состояния Ридберга или резонансного и в связи с этим соизмеримой со временем жизни возбужденного атома таллия в резонансном состоянии.

В способе на первой ступени стадии возбуждения лазерным излучением атомов требуемого изотопа используют излучение лазера на парах таллия длиной волны 535 нм в импульсном режиме с длительностью импульса излучения от 5 до 10 нс, а на второй ступени стадии возбуждения лазерным излучением используют излучение длиной волны 444 нм в импульсном режиме с длительностью импульса излучения от 5 до 10 нс.

В способе осуществление ионизации атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения электрического поля проводят в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, посредством наложения поперечного электрического поля, при этом прикладывают напряжение в режиме, ограничивающем развитие сверхизлучения с уровней, соответствующих состоянию Ридберга, а величину поля определяют исходя из ширины зоны воздействия лазерного излучения, концентрации возбужденных атомов требуемого изотопа и близости уровней Ридберга к границе ионизации.

В способе при ионизации атомов требуемого изотопа посредством наложения электрического поля и извлечении ионизованных атомов из пучка посредством наложения электрического поля подают напряжение в импульсном режиме длительностью от 30 до 100 нс, при величине напряжения от 10 до 25 кВ.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 представлена схема используемых энергетических уровней атома таллия, где 1 - основное состояние, 2 - метастабильное состояние, 3 - резонансное состояние, 4 - состояние Ридберга, 5 - ионные состояния атомов таллия, представляющие непрерывный спектр. На Фиг.2 схематично изображена испарительная камера, где 6 - корпус испарительной камеры, 7 - стержень, 8 - трубка, 9 - резервуар для таллия, 10 - щель, 11 - нагреватель, 12 - поток атомов таллия. На Фиг.3 схематично показан узел выделения таллия, где 13 - щелевые диафрагмы, 14 - зона экстракции, 15 - анод, 16 - катоды, 17 - зона воздействия лазерного излучения, 18 - экран.

В предлагаемом способе достижение технического результата базируется на том, что многоступенчатое возбуждение атомов таллия (Фиг.1) проводят в две стадии, причем первая стадия заключается в возбуждении газовым разрядом, осуществляемым в испарительной камере, вторая стадия - в возбуждении лазерным излучением с использованием лазера на самоограниченном переходе, осуществляемым в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия.

На первой стадии решается направленная на достижение технического результата задача осуществления нелазерного возбуждения атомов таллия в метастабильное состояние, которого достигают посредством зажигания постоянного газового разряда в испарительной камере при условиях, в совокупности обеспечивающих переход атомов таллия в метастабильное состояние. Для осуществления данной стадии испарительная камера (Фиг.2) выполнена в составе корпуса 6, стержня 7, трубки 8, резервуара 9 и нагревателя 11. Корпус 6 изготовлен из нержавеющей стали или графита и осуществляет функцию катода при проведении газового разряда. Внутри корпуса 6 размещены стержень 7 из нержавеющей стали с надетой на него трубкой 8, выполненной из диэлектрического материала, например керамической окиси алюминия, а также резервуар 9 для таллия. Корпус 6 с находящимися в нем конструктивными элементами размещен в нагревателе 11. В корпусе 6 сверху выполнена щель 10 шириной, определяемой желаемой производительностью способа и ориентировочно составляющей около 0,1 мм. Длина испарительной камеры и, соответственно, длина щели определяются также желаемой производительностью.

После возбуждения атомов таллия в метастабильное состояние формируют поток 12 атомов таллия, находящихся в возбужденном метастабильном состоянии, который выходит из щели 10 и поступает на вход узла выделения таллия (Фиг.3). Для формирования малорасходящегося атомного пучка на входе выполнены, по крайней мере, две щелевые диафрагмы 13. Затем сформированный малорасходящийся атомный пучок попадает в зону экстракции 14. Она расположена между анодом 15 и катодами 16, между экраном 18, выполненным над зоной экстракции 14, и корпусом 6. Далее малорасходящийся атомный пучок попадает непосредственно в зону воздействия лазерного излучения 17, расположенную в зоне экстракции 14 между катодами 16 и анодом 15. Приступают ко второй стадии многоступенчатого возбуждения атомов таллия. На второй стадии осуществляют направленное на достижение технического результата решение задачи возбуждения атомов таллия в состояние, необходимое для выделения требуемого изотопа. При этом возбуждения атомов достигают посредством лазерного излучения с использованием лазера на самоограниченном переходе и при условиях, в совокупности обеспечивающих выделение требуемого изотопа таллия.

Испарительная камера (Фиг.2) и узел выделения таллия (Фиг.3) располагаются в вакуумной камере, в которой поддерживается вакуум на уровне, обеспечивающем протекание необходимых процессов для выделения требуемого изотопа таллия. Величина давления, характеризующая требуемый уровень вакуума, составляет не более 10^-6 Па, а в качестве рабочего диапазона реально используют 10^-8÷10^-6 Па.

Для возбуждения атомов таллия в метастабильное состояние предварительно нагревателем 11 нагревают корпус 6 до температуры, при которой начинается испарение атомов таллия в испарительной камере из резервуара 9 и в результате возникает равновесное давление паров атомов таллия. Затем зажигают газовый разряд типа «полый катод», при котором происходит возбуждение атомов таллия в метастабильное состояние (состояние 2, см. Фиг.1). Величина температуры, при которой устанавливается равновесное давление паров атомов таллия, достаточное для зажигания газового разряда, примерно равна 600°С. На практике в качестве подходящего для создания условий зажигания постоянного газового разряда и возбуждения атомов в метастабильное состояние используют диапазон температур 600-660°С. Величина равновесного давления паров атомов таллия составляет порядка 1-10 Па. После нагревания и испарения атомов таллия приступают непосредственно к возбуждению атомов газовым разрядом.

Зажигание газового разряда приводит к возбуждению атомов таллия и изменяет населенность уровня 2 (Фиг.1).

Населенность уровня 2 (Фиг.1) (метастабильное состояние) вследствие большого сечения возбуждения электронами атомов таллия на уровень 2 из основного состояния 1 определяется выражением

где N₁ - населенность уровня 1;

g₁ - статистический вес 1 уровня, составляющий 2;

g₂ - статистический вес 2 уровня, составляющий 4;

ΔЕ - разность энергий между уровнями 2 и 1, составляющая порядка 0,97 эВ;

k - постоянная Больцмана;

Т_е - температура электронов.

При величине Т_е больше или порядка 3 эВ, являющейся типичной для давления паров таллия 1 Па, N₂=1,45 N₁. To есть, около 60% атомов таллия находятся в возбужденном метастабильном состоянии.

После возбуждения атомов таллия в метастабильное состояние из них формируют малорасходящийся атомный пучок, что завершает операцию создания пучка атомов таллия, и приступают к осуществлению стадии возбуждения лазерным излучением с использованием лазера на самоограниченном переходе, осуществляемой в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, и включающей последовательно две ступени возбуждения лазерным излучением (Фиг.1). На первой ступени атомы таллия, находящиеся в возбужденном метастабильном состоянии, лазерным излучением с длиной волны, обеспечивающей возбуждение в резонансное состояние атомов требуемого изотопа, возбуждаются в состояние 3. На второй ступени атомы требуемого изотопа таллия, находящиеся в возбужденном резонансном состоянии, лазерным излучением с длиной волны, обеспечивающей переход в состояния Ридберга, возбуждаются в состояние 4. При этом лазер на самоограниченном переходе для возбуждения атомов требуемого изотопа таллия используют на первой ступени, при возбуждении в резонансное состояние.

Атомы таллия, в том числе и возбужденные, находящиеся в метастабильном состоянии, с концентрацией на уровне n=10¹⁴ см^-3, через щель 10 истекают в вакуум, характеризующийся уровнем, обеспечивающим протекание необходимых процессов для выделения требуемого изотопа таллия, где с помощью диафрагм 13 в зоне экстракции 14 формируется малорасходящийся атомный пучок (Фиг.3), который достигает зоны воздействия лазерного излучения 17. На первой ступени возбуждения лазерным излучением с применением лазера на самоограниченном переходе излучение на длине волны 535 нм переводит атомы требуемого изотопа в состояние 3 (резонансное состояние), а затем на второй ступени возбуждения лазерным излучением излучение на длине волны 444 нм атомы требуемого изотопа переводит в состояние 4 (состояние Ридберга). Поскольку на первой ступени стадии лазерного возбуждения лазерное излучение настраивается только на длину волны, соответствующую выделяемому изотопу, например Tl 203, то другой изотоп, в частности Tl 205, не возбуждается в состояние 3 и состояние 4.

Для того чтобы избежать обратных переходов атомов из возбужденных состояний, используют импульсный режим лазерного излучения. Предотвращение переходов атомов из состояния 3 в состояние 2 осуществляют путем выбора длительности импульса лазерного излучения, соизмеримой со временем жизни атомов в возбужденных состояниях, и таким образом ограничивающей обратные переходы. Время жизни атомов таллия в возбужденном состоянии 3 составляет около 10 нс, а значит длительность импульса излучения лазера должна составлять величину от 5 до 10 нс. Данная величина длительности импульса является типичной величиной длительности импульса генерации лазеров на самоограниченных переходах.

Время жизни атомов требуемого изотопа в состоянии Ридберга (состояние 4, Фиг.1) составляет сотни наносекунд. Однако для перевода атомов в состояние 4 выбор длительности импульса лазерного излучения осуществляют не из условия соизмеримости его со временем жизни атомов в данном возбужденном состоянии, а из условия осуществления перевода всех атомов требуемого изотопа в состояние Ридберга. Поскольку время жизни атома требуемого изотопа в возбужденном состоянии 3 составляет около 10 нс, после чего, если он не перешел в состояние 4, он переходит в состояние 2, то для перевода всех атомов требуемого изотопа (например, Т1 203) в состояние Ридберга длительность импульса лазерного излучения должна быть ограничивающей обратные переходы; на длине волны 444 нм длительность импульса необходима порядка 10 нс, то есть такая же, как и при возбуждении в резонансное состояние.

После завершения стадии возбуждения лазерным излучением приступают непосредственно к этапу выделения атомов требуемого изотопа таллия. Для этого осуществляют ионизацию атомов требуемого изотопа в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, посредством наложения поперечного электрического поля и извлечение требуемого изотопа из пучка при условиях, в совокупности обеспечивающих выделение требуемого изотопа таллия. После прохождения светового импульса между анодом 15 и катодами 16 прикладывают напряжение в режиме, позволяющем избежать развития сверхизлучения с уровней, соответствующих состоянию Ридберга, на нижележащие уровни. Это импульсный режим подачи напряжения с длительностью импульсов от 30 до 100 нс и коротким фронтом нарастания до 15 нс. Минимальный фронт нарастания импульса напряжения может составлять от 1 нс, однако величина 15 нс является достаточной для осуществления данной операции. При этом величина подаваемого напряжения U определяется расстоянием 1ка между катодом и анодом (в более общем случае шириной зоны воздействия лазерного излучения 17), концентрацией возбужденных атомов и близостью уровней Ридберга к границе ионизации δE_i. При δE_i=0,1 эВ, n=10¹⁰ см^-3 и l_ка=1 см, величина U составляет порядка 10 кВ. В способе значение величины U может варьироваться от 10 до 25 кВ.

Возбужденные атомы требуемого изотопа, находящиеся в состояниях Ридберга, наложением электрического поля практически мгновенно ионизуются, ионы ускоряются по направлению к аноду, выполняющему функцию коллектора, и при достижении его осаждаются на нем, постоянно образуя полезный продукт.

Невозбужденные атомы других изотопов таллия не могут быть ионизованы при наложении электрического поля, поэтому они продолжают прямолинейное движение, достигают экрана 18 и осаждаются на нем, образуя отходы. После полного испарения таллия из резервуара 9 вакуумная камера разгерметизируется, из нее извлекаются коллектор продукта и коллектор отходов, резервуар 9 снова заполняется таллием и цикл повторяется.

Использование газового разряда позволяет с помощью небольших затрат энергии и недорогого источника постоянного тока переводить атомы таллия из основного состояния 1 в состояние 2 (Фиг.1). Дальнейшее возбуждение атомов в состояние 3 проводят с помощью лазера на самоограниченном переходе, такого как импульсный лазер на парах таллия.

Если проводить возбуждение из состояния 1 в состояние 3 с помощью лазерного излучения от лазера на красителе Стирил 8, накачиваемого лазером на парах меди, с дальнейшим преобразованием его во вторую гармонику, то эффективность этого преобразования на практике не превышает 30%. Эффективность преобразования излучения лазера на парах меди в излучение лазеров на красителях Родамин 101 и Стирил 8 примерно одинакова и составляет 10%. Отсюда видно, что использование газового разряда для перевода атомов таллия из основного состояния в метастабильное состояние позволяет снизить требуемую величину мощности лазера на парах меди в 3 раза при одной и той же производительности заявляемого способа и известных способов, а также отказаться от использования преобразования излучения во вторую гармонику, что улучшает качество лазерного луча и повышает надежность системы. Все это в конечном счете приводит к снижению стоимости получения конечного продукта - требуемого изотопа таллия.

Более того, если проводить возбуждение из состояния 2 в состояние 3 с использованием лазера на парах таллия, то отпадает необходимость для достижения указанного технического результата использовать лазер на красителе, что в конечном счете усиливает эффект снижения затратности способа производства изотопа. Использование лазера на парах таллия в более значительной степени снижает энергетические затраты, чем использование лазера на красителе. При накачке лазера на парах таллия электронным пучком, генерируемым открытым разрядом, он обладает эффективностью, сравнимой с эффективностью современных лазеров на парах меди, то есть 1-2%. Учитывая, что эффективность преобразования излучения лазера на парах меди в излучение лазера на красителе, например Родамин 101, которое используется для перевода атомов таллия в возбужденное состояние 3, составляет примерно 10%, то затраты энергии по переводу атомов требуемого изотопа таллия в состояние 3 с использованием лазера на самоограниченном переходе фактически снижаются примерно на порядок. Таким образом, использование лазера на самоограниченном переходе дает увеличение в эффективности генерации излучения, используемого для возбуждения на первой ступени стадии лазерного возбуждения, снижает сложность и повышает надежность лазерной системы для получения требуемого излучения.

В качестве сведений, подтверждающих реализацию способа, приводим нижеследующие примеры.

Пример 1

Создают пучок атомов таллия и проводят многоступенчатое возбуждение атомов требуемого изотопа в две стадии, а именно стадии возбуждения газовым разрядом, осуществляемой в процессе создания пучка атомов таллия, при условиях, в совокупности обеспечивающих переход атомов таллия в метастабильное состояние, и последующей стадии возбуждения лазерным излучением с использованием лазера на самоограниченном переходе при условиях, в совокупности обеспечивающих выделение требуемого изотопа таллия.

Для создания пучка атомов таллия и проведения стадии возбуждения газовым разрядом испарительную камеру, содержащую металлический таллий, нагревают до температуры 600°С и создают равновесное давление паров атомов таллия 1 Па. В испарительной камере зажигают постоянный газовый разряд, проводят возбуждение испаряемых атомов таллия в метастабильное состояние. После этого формируют в вакууме (вакуумной камере), характеризующемся уровнем 10^-6 Па, пучок атомов таллия, находящихся в возбужденном метастабильном состоянии.

Проводят стадию возбуждения лазерным излучением в вакууме (вакуумной камере), характеризующемся уровнем 10^-6 Па, в две следующие друг за другом ступени. На первой ступени лазерного возбуждения атомы таллия, находящиеся в возбужденном метастабильном состоянии, возбуждают в резонансное состояние излучением лазера на парах таллия с длиной волны 535 нм, обеспечивающей возбуждение в резонансное состояние требуемого изотопа, и длительностью импульса излучения, соизмеримой со временем жизни возбужденного атома таллия в резонансном состоянии и ограничивающей обратный переход в метастабильное состояние, равной 10 нс. На второй ступени лазерного возбуждения атомы таллия, находящиеся в возбужденном резонансном состоянии, возбуждают в состояние Ридберга лазерным излучением с длиной волны 444 нм, обеспечивающей возбуждение в состояние Ридберга, и длительностью импульса излучения, ограничивающей обратный переход, равной 10 нс.

Затем осуществляют в вакууме (вакуумной камере), характеризующемся уровнем 10^-6 Па, ионизацию атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения поперечного электрического поля. При этом прикладывают напряжение 10 кВ в импульсном режиме длительностью 30 нс и фронтом нарастания 15 нс. Практически мгновенно ионизуют атомы требуемого изотопа, находящиеся в состояниях Ридберга, ионы ускоряют по направлению к аноду, выполняющему функцию коллектора, и при достижении его осаждают на нем, постоянно образуя полезный продукт.

Пример 2

Создают пучок атомов таллия и проводят многоступенчатое возбуждение атомов требуемого изотопа в две стадии, а именно стадии возбуждения газовым разрядом, осуществляемой в процессе создания пучка атомов таллия, при условиях, в совокупности обеспечивающих переход атомов таллия в метастабильное состояние, и последующей стадии возбуждения лазерным излучением с использованием лазера на самоограниченном переходе при условиях, в совокупности обеспечивающих выделение требуемого изотопа таллия.

Для создания пучка атомов таллия и проведения стадии возбуждения газовым разрядом испарительную камеру, содержащую металлический таллий, нагревают до температуры 620°С и создают равновесное давление паров атомов таллия 2 Па. В испарительной камере зажигают постоянный газовый разряд, проводят возбуждение испаряемых атомов таллия в метастабильное состояние. После этого формируют в вакууме (вакуумной камере), характеризующемся уровнем 10^-6 Па, пучок атомов таллия, находящихся в возбужденном метастабильном состоянии.

Проводят стадию возбуждения лазерным излучением в вакууме (вакуумной камере), характеризующемся уровнем 10^-6 Па, в две следующие друг за другом ступени. На первой ступени лазерного возбуждения атомы таллия, находящиеся в возбужденном метастабильном состоянии, возбуждают в резонансное состояние излучением лазера на парах таллия с длиной волны 535 нм, обеспечивающей возбуждение в резонансное состояние требуемого изотопа, и длительностью импульса излучения, соизмеримой со временем жизни возбужденного атома таллия в резонансном состоянии и ограничивающей обратный переход в метастабильное состояние, равной 7 нс. На второй ступени лазерного возбуждения атомы таллия, находящиеся в возбужденном резонансном состоянии, возбуждают в состояние Ридберга лазерным излучением с длиной волны 444 нм, обеспечивающей возбуждение в состояние Ридберга, и длительностью импульса излучения, ограничивающей обратный переход, равной 7 нс.

Затем осуществляют в вакууме (вакуумной камере), характеризующемся уровнем 10^-6 Па, ионизацию атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения поперечного электрического поля. При этом прикладывают напряжение 15 кВ в импульсном режиме длительностью 50 нс и фронтом нарастания 15 нс. Практически мгновенно ионизуют атомы требуемого изотопа, находящиеся в состояниях Ридберга, ионы ускоряют по направлению к аноду, выполняющему функцию коллектора, и при достижении его осаждают на нем, постоянно образуя полезный продукт.

Пример 3

Создают пучок атомов таллия и проводят многоступенчатое возбуждение атомов требуемого изотопа в две стадии, а именно стадии возбуждения газовым разрядом, осуществляемой в процессе создания пучка атомов таллия, при условиях, в совокупности обеспечивающих переход атомов таллия в метастабильное состояние, и последующей стадии возбуждения лазерным излучением с использованием лазера на самоограниченном переходе при условиях, в совокупности обеспечивающих выделение требуемого изотопа таллия.

Для создания пучка атомов таллия и проведения стадии возбуждения газовым разрядом испарительную камеру, содержащую металлический таллий, нагревают до температуры 660°С и создают равновесное давление паров атомов таллия 10 Па. В испарительной камере зажигают постоянный газовый разряд, проводят возбуждение испаряемых атомов таллия в метастабильное состояние. После этого формируют в вакууме (вакуумной камере), характеризующемся уровнем 10^-6 Па, пучок атомов таллия, находящихся в возбужденном метастабильном состоянии.

Проводят стадию возбуждения лазерным излучением в вакууме (вакуумной камере), характеризующемся уровнем 10^-6 Па, в две следующие друг за другом ступени. На первой ступени лазерного возбуждения атомы таллия, находящиеся в возбужденном метастабильном состоянии, возбуждают в резонансное состояние излучением лазера на парах таллия с длиной волны 535 нм, обеспечивающей возбуждение в резонансное состояние требуемого изотопа, и длительностью импульса излучения, соизмеримой со временем жизни возбужденного атома таллия в резонансном состоянии и ограничивающей обратный переход в метастабильное состояние, равной 5 нс. На второй ступени лазерного возбуждения атомы таллия, находящиеся в возбужденном резонансном состоянии, возбуждают в состояние Ридберга лазерным излучением с длиной волны 444 нм, обеспечивающей возбуждение в состояние Ридберга, и длительностью импульса излучения, ограничивающей обратный переход, равной 5 нс.

Затем осуществляют в вакууме (вакуумной камере), характеризующемся уровнем 10^-6 Па, ионизацию атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения поперечного электрического поля. При этом прикладывают напряжение 25 кВ в импульсном режиме длительностью 100 нс и фронтом нарастания 15 нс. Практически мгновенно ионизуют атомы требуемого изотопа, находящиеся в состояниях Ридберга, ионы ускоряют по направлению к аноду, выполняющему функцию коллектора, и при достижении его осаждают на нем, постоянно образуя полезный продукт.

Последовательность действий и условия их осуществления, составляющие основу заявляемого способа, применимы к некоторым другим элементам, на которых осуществлены лазеры на самоограничивающимх переходах, в частности это атомы бария, свинца, золота, кальция, стронция, марганца, а также к элементам, которые имеют нижние метастабильные состояния, например атомы благородных газов - гелия, неона, криптона, ксенона, и большинство атомов металлов.

Изобретение относится к квантовой электронике и лазерной технологи и может быть использовано в ядерной физике для разделения изотопов. Изобретение касается способа выделения изотопов таллия, заключающегося в том, что создают пучок атомов таллия и проводят многоступенчатое возбуждение атомов требуемого изотопа, после чего осуществляют ионизацию атомов требуемого изотопа и извлекают ионизованные атомы из пучка посредством наложения электрического поля при условиях, обеспечивающих выделение требуемого изотопа таллия. Многоступенчатое возбуждение атомов требуемого изотопа проводят в две стадии, а именно посредством стадии возбуждения лазерным излучением с использованием лазера на самоограниченном переходе и при условиях, в совокупности обеспечивающих выделение требуемого изотопа таллия, осуществляемой в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, в сочетании с предшествующей ей стадией возбуждения газовым разрядом, осуществляемой в процессе создания пучка атомов таллия путем испарения металлического таллия в испарительной камере и зажигания в ней газового разряда, посредством которого проводят возбуждение атомов таллия в метастабильное состояние, при условиях, в совокупности обеспечивающих переход атомов таллия в метастабильное состояние, после чего формируют в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, пучок атомов таллия в возбужденном метастабильном состоянии. 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ выделения изотопов таллия, заключающийся в том, что создают пучок атомов таллия и проводят многоступенчатое возбуждение атомов требуемого изотопа, после чего осуществляют ионизацию атомов требуемого изотопа и извлекают ионизованные атомы из пучка посредством наложения электрического поля при условиях, обеспечивающих выделение требуемого изотопа таллия, отличающийся тем, что многоступенчатое возбуждение атомов требуемого изотопа проводят в две стадии, а именно посредством стадии возбуждения лазерным излучением с использованием лазера на самоограниченном переходе и при условиях, в совокупности обеспечивающих выделение требуемого изотопа таллия, осуществляемой в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, в сочетании с предшествующей ей стадией возбуждения газовым разрядом, осуществляемой в процессе создания пучка атомов таллия путем испарения металлического таллия в испарительной камере и зажигания в ней газового разряда, посредством которого проводят возбуждение атомов таллия в метастабильное состояние, при условиях, в совокупности обеспечивающих переход атомов таллия в метастабильное состояние, после чего формируют в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, пучок атомов таллия в возбужденном метастабильном состоянии.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания пучка атомов таллия и проведения стадии возбуждения газовым разрядом, осуществляемой в процессе создания пучка атомов таллия, испарительную камеру, содержащую металлический таллий, нагревают до температуры, обеспечивающей создание в испарительной камере равновесного давления паров атомов таллия, и создают равновесное давление паров атомов таллия.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что испарительную камеру, содержащую металлический таллий, нагревают до температуры 600-660°С и создают равновесное давление паров атомов таллия равное 1-10 Па.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадию возбуждения лазерным излучением проводят в две следующие друг за другом ступени, на первой ступени атомы таллия, находящиеся в возбужденном метастабильном состоянии, излучением лазера на самоограниченном переходе с длиной волны, обеспечивающей возбуждение в резонансное состояние атомов требуемого изотопа, возбуждают в резонансное состояние, затем на второй ступени атомы требуемого изотопа таллия, находящиеся в возбужденном резонансном состоянии, лазерным излучением с длиной волны, обеспечивающей переход в состояния Ридберга, возбуждают в состояние Ридберга, причем на обеих ступенях возбуждения лазерным излучением используют импульсный режим, на первой ступени длительность импульса излучения выбирают соизмеримой со временем жизни возбужденного атома таллия в резонансном состоянии и ограничивающей обратный переход в метастабильное состояние, а на второй ступени длительность импульса излучения выбирают ограничивающей обратный переход в возбужденное нижерасположенное состояние из возбужденного состояния Ридберга или резонансного и в связи с этим соизмеримой со временем жизни возбужденного атома таллия в резонансном состоянии.5. Способ по п.2, отличающийся тем, что стадию возбуждения лазерным излучением проводят в две следующие друг за другом ступени, на первой ступени атомы таллия, находящиеся в возбужденном метастабильном состоянии, излучением лазера на самоограниченном переходе с длиной волны, обеспечивающей возбуждение в резонансное состояние атомов требуемого изотопа, возбуждают в резонансное состояние, затем на второй ступени атомы требуемого изотопа таллия, находящиеся в возбужденном резонансном состоянии, лазерным излучением с длиной волны, обеспечивающей переход в состояния Ридберга, возбуждают в состояние Ридберга, причем на обеих ступенях возбуждения лазерным излучением используют импульсный режим, на первой ступени длительность импульса излучения выбирают соизмеримой со временем жизни возбужденного атома таллия в резонансном состоянии и ограничивающей обратный переход в метастабильное состояние, а на второй ступени длительность импульса излучения выбирают ограничивающей обратный переход в возбужденное нижерасположенное состояние из возбужденного состояния Ридберга или резонансного и в связи с этим соизмеримой со временем жизни возбужденного атома таллия в резонансном состоянии.6. Способ по п.3, отличающийся тем, что стадию возбуждения лазерным излучением проводят в две следующие друг за другом ступени, на первой ступени атомы таллия, находящиеся в возбужденном метастабильном состоянии, излучением лазера на самоограниченном переходе с длиной волны, обеспечивающей возбуждение в резонансное состояние атомов требуемого изотопа, возбуждают в резонансное состояние, затем на второй ступени атомы требуемого изотопа таллия, находящиеся в возбужденном резонансном состоянии, лазерным излучением с длиной волны, обеспечивающей переход в состояния Ридберга, возбуждают в состояние Ридберга, причем на обеих ступенях возбуждения лазерным излучением используют импульсный режим, на первой ступени длительность импульса излучения выбирают соизмеримой со временем жизни возбужденного атома таллия в резонансном состоянии и ограничивающей обратный переход в метастабильное состояние, а на второй ступени длительность импульса излучения выбирают ограничивающей обратный переход в возбужденное нижерасположенное состояние из возбужденного состояния Ридберга или резонансного и в связи с этим соизмеримой со временем жизни возбужденного атома таллия в резонансном состоянии.7. Способ по п.4, отличающийся тем, что на первой ступени стадии возбуждения лазерным излучением атомов требуемого изотопа используют излучение лазера на парах таллия длиной волны 535 нм в импульсном режиме с длительностью импульса излучения от 5 до 10 нс, а на второй ступени стадии возбуждения лазерным излучением используют излучение длиной волны 444 нм в импульсном режиме с длительностью импульса излучения от 5 до 10 нс.8. Способ по п.5, отличающийся тем, что на первой ступени стадии возбуждения лазерным излучением атомов требуемого изотопа используют излучение лазера на парах таллия длиной волны 535 нм в импульсном режиме с длительностью импульса излучения от 5 до 10 нс, а на второй ступени стадии возбуждения лазерным излучением используют излучение длиной волны 444 нм в импульсном режиме с длительностью импульса излучения от 5 до 10 нс.9. Способ по п.6, отличающийся тем, что на первой ступени стадии возбуждения лазерным излучением атомов требуемого изотопа используют излучение лазера на парах таллия длиной волны 535 нм в импульсном режиме с длительностью импульса излучения от 5 до 10 нс, а на второй ступени стадии возбуждения лазерным излучением используют излучение длиной волны 444 нм в импульсном режиме с длительностью импульса излучения от 5 до 10 нс.10. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществление ионизации атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения электрического поля проводят в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, посредством наложения поперечного электрического поля, при этом прикладывают напряжение в режиме, ограничивающем развитие сверхизлучения с уровней, соответствующих состоянию Ридберга, а величину поля определяют исходя из ширины зоны воздействия лазерного излучения, концентрации возбужденных атомов требуемого изотопа и близости уровней Ридберга к границе ионизации.11. Способ по п.2, отличающийся тем, что осуществление ионизации атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения электрического поля проводят в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, посредством наложения поперечного электрического поля, при этом прикладывают напряжение в режиме, ограничивающем развитие сверхизлучения с уровней, соответствующих состоянию Ридберга, а величину поля определяют исходя из ширины зоны воздействия лазерного излучения, концентрации возбужденных атомов требуемого изотопа и близости уровней Ридберга к границе ионизации.12. Способ по п.3, отличающийся тем, что осуществление ионизации атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения электрического поля проводят в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, посредством наложения поперечного электрического поля, при этом прикладывают напряжение в режиме, ограничивающем развитие сверхизлучения с уровней, соответствующих состоянию Ридберга, а величину поля определяют исходя из ширины зоны воздействия лазерного излучения, концентрации возбужденных атомов требуемого изотопа и близости уровней Ридберга к границе ионизации.13. Способ по п.4, отличающийся тем, что осуществление ионизации атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения электрического поля проводят в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, посредством наложения поперечного электрического поля, при этом прикладывают напряжение в режиме, ограничивающем развитие сверхизлучения с уровней, соответствующих состоянию Ридберга, а величину поля определяют исходя из ширины зоны воздействия лазерного излучения, концентрации возбужденных атомов требуемого изотопа и близости уровней Ридберга к границе ионизации.14. Способ по п.5, отличающийся тем, что осуществление ионизации атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения электрического поля проводят в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, посредством наложения поперечного электрического поля, при этом прикладывают напряжение в режиме, ограничивающем развитие сверхизлучения с уровней, соответствующих состоянию Ридберга, а величину поля определяют исходя из ширины зоны воздействия лазерного излучения, концентрации возбужденных атомов требуемого изотопа и близости уровней Ридберга к границе ионизации.15. Способ по п.6, отличающийся тем, что осуществление ионизации атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения электрического поля проводят в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, посредством наложения поперечного электрического поля, при этом прикладывают напряжение в режиме, ограничивающем развитие сверхизлучения с уровней, соответствующих состоянию Ридберга, а величину поля определяют исходя из ширины зоны воздействия лазерного излучения, концентрации возбужденных атомов требуемого изотопа и близости уровней Ридберга к границе ионизации.16. Способ по п.7, отличающийся тем, что осуществление ионизации атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения электрического поля проводят в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, посредством наложения поперечного электрического поля, при этом прикладывают напряжение в режиме, ограничивающем развитие сверхизлучения с уровней, соответствующих состоянию Ридберга, а величину поля определяют исходя из ширины зоны воздействия лазерного излучения, концентрации возбужденных атомов требуемого изотопа и близости уровней Ридберга к границе ионизации.17. Способ по п.8, отличающийся тем, что осуществление ионизации атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения электрического поля проводят в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, посредством наложения поперечного электрического поля, при этом прикладывают напряжение в режиме, ограничивающем развитие сверхизлучения с уровней, соответствующих состоянию Ридберга, а величину поля определяют исходя из ширины зоны воздействия лазерного излучения, концентрации возбужденных атомов требуемого изотопа и близости уровней Ридберга к границе ионизации.18. Способ по п.9, отличающийся тем, что осуществление ионизации атомов требуемого изотопа и извлечение ионизованных атомов из пучка посредством наложения электрического поля проводят в вакууме, характеризующемся уровнем, обеспечивающим протекание процессов для выделения изотопов таллия, посредством наложения поперечного электрического поля, при этом прикладывают напряжение в режиме, ограничивающем развитие сверхизлучения с уровней, соответствующих состоянию Ридберга, а величину поля определяют исходя из ширины зоны воздействия лазерного излучения, концентрации возбужденных атомов требуемого изотопа и близости уровней Ридберга к границе ионизации.19. Способ по любому из пп.1-18, отличающийся тем, что при ионизации атомов требуемого изотопа посредством наложения электрического поля и извлечении ионизованных атомов из пучка посредством наложения электрического поля подают напряжение в импульсном режиме длительностью от 30 до 100 нс, при величине напряжения от 10 до 25 кВ.