СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ХЛОРА Российский патент 2014 года по МПК B01D59/00 

Описание патента на изобретение RU2530062C2

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

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; B01D 53/00; B01D 59/34; G01N 21/63; от 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 10-15 с. Время между двумя импульсами должно быть равно целому числу полупериодов резонансного периода выбранного компонента.

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 K), 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 хлора. Электроспрей-ионизация используется для создания газовой смеси ионов, и ионные пучки на выходе из сильного поля с асимметричной формы волны спектрометра подвижности ионов попадают в масс-спектрометр для идентификации изотопов.

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 состояние 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, 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 хлора лазерным разделением.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерного разделения изотопов хлора, включающем облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, согласно изобретению в качестве исходного газа используется хлористый водород (HCl), длина волны резонансного инфракрасного излучения 3,782 мкм, диапазон лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность превышает 1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния HCl.

Предлагается использовать эффект анти-стоксова усиления туннельной ионизации молекул. Этот эффект, предложенный и описанный в работе [Kornev A.S., Zon В.А. Phys. Rev. A 86, 043401 (2012)], 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., ZonB.A., Phys. Rev. A 86, 043401 (2012)]. 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 показана зависимость отношения вероятности образования ионов HCl+ из возбужденного колебательного состояния (vi=1) к вероятности образования ионов HCl+ из основного колебательного состояния (vi=0), в зависимости от интенсивности лазерного излучения I.

Газообразный хлористый водород, содержащий смесь изотопов Cl35 и Cl37 (в природе распространенность этих изотопов составляет 75,8% и 24,2% соответственно), облучается инфракрасным излучением с длиной волны 3,782 мкм для заселения первого колебательного состояния молекулы HCl37. 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

.

Здесь E0 - потенциал ионизации молекулы, λ - длина волны ионизирующего излучения, a=0,529 Ǻ=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=3,51×10 Вт м-2 - атомная единица интенсивности, αe=7,23×10-3 - постоянная тонкой структуры.

Для молекулы хлористого водорода HCl эта интенсивность должна превышать 4×1013 Вт/см2 при длине волны ионизирующего излучения 1,3 мкм или 1,6×1013 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 HCl37. Далее, путем экстракции положительных ионов, получают хлористый водород с повышенным, по сравнению с природным, содержанием изотопа Cl37.

Из зависимости на Фиг.1 видно, что в оптимальных условиях, при интенсивности лазерного излучения ~1013 Вт/см2, вероятность образования HCl превышает вероятность образования ионов HCl35+ больше чем на 20%.

Похожие патенты RU2530062C2

название год авторы номер документа
Способ лазерного разделения изотопов лития 2016
  • Зон Борис Абрамович
  • Корнев Алексей Станиславович
  • Наскидашвили Василий Иванович
  • Семилетов Иван Мстиславович
  • Суворов Кирилл Игоревич
RU2652260C2
Способ лазерного разделения изотопов йода 2016
  • Зон Борис Абрамович
  • Корнев Алексей Станиславович
  • Наскидашвили Василий Иванович
  • Семилетов Иван Мстиславович
  • Суворов Кирилл Игоревич
RU2651338C2
Способ лазерного разделения изотопов фтора 2015
  • Зон Борис Абрамович
  • Корнев Алексей Станиславович
  • Наскидашвили Василий Иванович
  • Семилетов Иван Мстиславович
RU2620051C2
Способ лазерного разделения изотопов азота 2020
  • Зон Борис Абрамович
  • Корнев Алексей Станиславович
  • Наскидашвили Александр Васильевич
  • Чернов Владислав Евгеньевич
RU2750381C1
Способ лазерного разделения изотопов кислорода 2019
  • Зон Борис Абрамович
  • Корнев Алексей Станиславович
  • Наскидашвили Александр Васильевич
  • Чернов Владислав Евгеньевич
RU2724748C1
СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА 2012
  • Зон Борис Абрамович
  • Корнев Алексей Станиславович
  • Деревягина Елена Ивановна
  • Давыдкин Виктор Алексеевич
RU2531178C2
СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПА ИТТЕРБИЯ 2006
  • Дзеонг До-Йоунг
  • Парк Хиун-Мин
  • Хан Дзае-Мин
  • Ким Чеол-Дзунг
RU2390375C2
Способ фотодиссоциации газа лазерным излучением 1970
  • Летохов В.С.
SU784680A1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОНУКЛИДА НИКЕЛЬ-63 2016
  • Лабозин Антон Валерьевич
  • Дьячков Алексей Борисович
  • Поликарпов Михаил Алексеевич
  • Панченко Владислав Яковлевич
  • Горкунов Алексей Анатольевич
  • Фирсов Валерий Александрович
  • Миронов Сергей Михайлович
  • Цветков Глеб Олегович
RU2614021C1
СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ЩЕЛОЧНОГО МЕТАЛЛА 1997
  • Яковин Д.В.
RU2129909C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 530 062 C2

Реферат патента 2014 года СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ХЛОРА

Изобретение относится к молекулярной физике, а именно к области разделения изотопов хлора, и может быть использовано для получения изотопически обогащенного хлора. Способ лазерного разделения изотопов хлора включает облучение исходного газа в качестве которого используется хлористый водород HCl резонансным инфракрасным излучением длиной волны 3,782 мкм, последующее воздействие лазерным излучением оптического или инфракрасного диапазона, интенсивностью превышающей 1013 Вт/см2, и экстракцию образованных положительных ионов, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния хлористого водорода HCl. Изобретение обеспечивает повышение эффективности выделения изотопов хлора. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 530 062 C2

Способ лазерного разделения изотопов хлора, 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 (HCl), длина волны резонансного инфракрасного излучения 3,782 мкм, диапазон лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность превышает 1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния HCl.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2014 года RU2530062C2

US 6831271 B1, 14.12.2004
GB 1473330 A, 11.05.1977
Бесколесный шариковый ход для железнодорожных вагонов 1917
  • Латышев И.И.
SU97A1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКООБОГАЩЕННОГО ИЗОТОПА C 1998
  • Астахов А.В.
  • Барабанщиков А.А.
  • Баранов Г.А.
  • Баранов В.Ю.
  • Глухих В.А.
  • Годисов О.Н.
  • Дядькин А.П.
  • Зинченко А.К.
  • Калитеевский А.К.
  • Кучинский А.А.
  • Летохов В.С.
  • Пигульский С.В.
  • Рябов Е.А.
  • Соколов Е.Н.
  • Федичев С.В.
  • Шевченко Ю.И.
  • Кузьменко В.А.
RU2144421C1

RU 2 530 062 C2

Авторы

Зон Борис Абрамович

Корнев Алексей Станиславович

Беломытцева Елена Геннадьевна

Давыдкин Виктор Алексеевич

Даты

2014-10-10Публикация

2012-12-18Подача