Устройство для разделения нейтральных частиц Советский патент 1979 года по МПК B01D59/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

I

Изобретение относится к устройствам для разделения нейтральных частиц с помощью оавпения иапучения частиц, имеющих возможность свободно перемещаться по отношению к окружению, принцип действия которьцс основан на открытии, заключающемся в том, что один или более лучей оптического излучения может имет частоту, форму отклонения или интенсивность, избранную для регулируемого воздействия светового давления на частицу, которое предполагает силу земного притяжения этих частиц, а также эффекты столкновения атомов и молекул и которое прео допевает фотофорезное взаимодействие частиц и их окружения, вызванное эффектом нагревания указанных частиц их окружением. Приводимые в настоящем изобретении результаты воздействия светового давления на движение частицы включают регулируемое нагревание частиц для получения точечного источника светового излучения черным - телом, бомбардировку цели этими частицами, ускорение частицы с помощью очень высокой энергии, сильно- сфокусированное ускорение нейтральной частицы, отделение изотопов, откачку газа, разделение частиц по размеру, инверсию населенности, основанная на разделении возбуждающих частиц с помощью светового деления, вакуумное отражение тонких пленок из ультрачистых частиц, регулируемых выпариванием (удерживают их световым давлением), испытание на раст51жение материалов, основанное на эффекте светового давления с круговой полвфизацией света, улавливание нейтральных газов

без примесей, разделение и отклонение молекулярного луча, измерение ускорения для инерционного наведения и измерение очень низких давлений газа.

Изобретение относится к управляемому использованию эффектов светов ого давления на частицы, свободно перемешающиеся относительно их окружения, особенно нейтральные частицы.

Радиометрические силы и фотофорез, в частности, обычно на несколько порядков выше силы светового давления. Даже в типичном опыте с лазерным источником света фотофореа обычно совершенно подавляет световое давление 1.

Известию много способов и устройств для улавливания и -ускорения заряженных частиц, например синхротрон, но не известно действительно эффективного спо;соба для получения подобных результаITOB с нейтральными частицами.

Обнаружено, что маленькие частицы, молекулы и атомы, свободно перемещающиеся по отношению к их окружению, могут быть уловлены в устойчивых оптических потенциальных ямах или ускорены управляемым образом при использовании только силы светового излучения из источника оптического излучения с определенной частотой, формой и интенсивностью. Изобретение включает первое наблюдение за ускорением таких частиц силами светового давления от видимого лазерного света. Опыты, проведенные на частицах с размером порядка микрон, в жидкостях и газе, позволили получить новые данные о природе сил светового излучения и позволили обнаружить существование устойчивых оптических потенциальных ям, в которых такие частицы улавливались только одним световым давлением.

Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что уст ройство для разделения нейтральных частиц имее три камеры, последовательно расположенные на общей оси, первая из которых выполнена с источником оптического излучения и с фокусирующим элементом, установленными на той же оси, и вакуумный насос, соединенный с первой камерой, при этом вторая камера выполнена с поперечным сечением, меньшим поперечного сеченйя двух други камер и соответствующим поперечному сечению сфокусированного пучка оптического излучения, а в третьей камере установлены анод и катод, соединенные с источником постоянного тока.

В экспериментах, осуществленных по данному изобретению, такие радиометрические эффекты, как фотофорез, были усустранены подачей относительно прозрачных частиц в относительно прозрачную среду иливв уум, или контролем нагрева частиц, обладающих частично поглотительной способностью. В значительной

степени удалось избежать вредных тепловых эффектов при плотностях энергии, превышаюших в 1ООО раз плотность частиц в приведенной работе 1.} .

В соответствии с другими аспектами предлагаемого изобретения целесообразно использовать эффекты светового излучения, контролируя нагрев частицы или тепловое взаимодействие частицы и ее окружения, даже когда тепловые эффекты не полностью отсутствуют. Например, в устройстве, принцип действия которого основан на этом аспекте изобретения, может быть использован высокоинтенсивный точечный источник светового излучения черным телом, применяющийся в спектрометре.

Различные частньге аспекты настоящего изобретения частично вытекают из признания большой силы, развиваемой световым давлением из когерентного источника света в противоположность не- когерентному источнику света, а также из признания множества возможных применений светового давления при условии исключения или регулирования пооходящим образом мешающих тепловых эффектов.

В частности, бьшо обнаружено, что во всех аспектах настоящего изобретения предпочтитепьно создавать такое окружени вокруг нейтральных частиц или частицы, при котором тепловые эффекты влияют на движение частицы в значительно меньшей степени, чем эффект светового давления,

В соответствии с одним дополнительным аспектом HacToiraiero изобретения, по крайней мере, два луча монохроматического когерентного расходящегося света подаются в область взаимного пересечения или наладки для улавливания частиц в этой области.

В соответствии с другим дополнительным аспектом настоящего изобретения, другой пучок монохроматического когерен ного света направляется; на захваченную частицу для ее ускорения из зоны захвата в направлении к подходящей цели. Таким образом, такое ускорение частиц как бы модулирует движение микрометеоритов в космическом пространстве и микрметеоритов, которые падают на землю, а также может быть использовано для ускорения химических реакций высоких энергий или для образования сигналов определенных типов.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого устройства для разделения нейтралыгых частиц - изотопов в газово фазе; на фиг. 2 - блок-схема нового ла зерного источника Света, в котором возбужденные частицы разделяются с помощью светового давления. Устройство (фиг, 1 и 2) содержит три камеры 1-3, последовательно расположенные на общей оси, первая из кот рых выполнена с источником 4 оптического излучения и с фокусирующим элементом (линзой) 5, установленными на той же оси, и вакуумный насос 6, соединенный с первой камерой 1. При этом вторая камера с сужением 2 выполнена с поперечным сечением 7, меньшим поперечного сечения двух других камер и соответствующим поперечному сечению сфокусированного пучка оптаческого излучения, а в третьей камере 3 установлены анод 8 и катод 9, соединенные с источником постоянного тока 10. Принципы взаимодействия давления из лучения с атомами и молекулами в резо нансе могут быть использованы в работе :оптичег:кого газового насоса, который может работать при значительных давле- .киях газа и который может превзойти самые современные ультрацентробежные и диффузионные методы разделения изотопов. Такое устройство для разделения изотопов, которое можно бьшо бы назват газовым насосом, изображено на фиг.1. В насто51идем примере показана конфи гурация вакуумной камеры потому, что ее форма способствует . успешному удержанию изотопов, предназначешшгх для заключения в области 11 вакуутлной камеры 1, Смесь 12 двух молекулярных газов, включая различные изотопы одних и тех же элементов, например углеродных или водородных изотопов двух видов CH-F, первоначально заключается в обпасти 11с помощью,- например, клапана (не показан), установленного в первом сужении 2, который может быть легко открыт, когда лазерный источник 4 вклю чен, В вакуумной камере 1, т,е. в областя а, to, с , и d установлены линзы 5 соответственно, которые фоксируют луч резонансного излучения из источника 4 так, что луч полностью заполняет сужен ные части между указанными широкими частями KaMejHJ. Частота света из источ нюса 4 выбирается для взаимодействия с резонансным превращением излучения молекул углерюда или водорода в одном изотопе, например С , которое отличается по частоте от сравнимого лревращения другого изотопа, например С . Необходимо отметить, что величина разности этих частот зависит от содержания изотопов в молекулах. Например, источник 4 мог быть лазером на изускиси углерода. С настраиваемым по частоте па-зером в этой области спектра несколько вращаюш.ихся уровней избранных образцов СНт F могут накачиваться одновременно для увеличения эффективности. После некоторого периода работы все молекулы одного образца будут заключены в области .11, в то время кшч. молекулы других образцов проникнут через луч вокруг линз и будут удалены вакуумным насосом 6. Аналогично, изотопы водорода, включая обычный водород, дейтерий или тритий, могут разделяться в этом устройстве, используя CHjF и 9,6 микронный лазер на двуокиси углерода или настраиваемый лазер в этой области спектра. Для сокращения продолжительности верхних состояний переходов резонансного излучения столкновением со стенками без введения бу4 оного газа в сужении 2 располагается многоканальная металлическая конструкция (не показана). Эта конструкция пропускает большую часть светового пуча. В качестве еще одного примера использования такого устройства как газовый насос, вое области камеры 1 первоначально заполняются парами натрия при Т-510 К, первоначальное давление которого Ig-lO Торр (3, атомов на кубкч€:ский сантиметр) и в качестве демпфера газообразный гелий при давлении равном 30 Торр, Прозрачная трубка ;насоса длиной 20 сантиметров, диаметром 2WQ Ю см равномерно освещается светом лазера, настрое1шо1хэ на линию Д, натрия с левой стороны. Рассмотрим сначала простой сллчай с низкой общей оптической мощностью Р , низким давлением натрия и без буферного газа. Истощением и насыщением света oжно пренебречь. Большинство атомов нахо дитсн в основном состоянии. Средняя сила, действующая на ато.{, равна PG ytlTW и примерно постоянна вдоль светового луча насоса. Обозначим критическое расстояние через X кр. Это расстояние, проходимое атомом npi потере его сродней Кинетической энергии |-т V ср. Таким образом, КХ,, mV/акт. Коу6лебание давления в газе с постоянной силой является показательным. FJi/ T -х/х..,,. , , Таким образом: Р(Х)Р6 Рг (1) OC-WQ СКТ Р-Ст, Рассмотрим пример с повышенной энергией и давлением. Стадия насыщения. Выравнивание населенности происходит между верхним и нижним энергетическими уровнями атомов и линии, расширенной эффектом доплера, шириной пределах естественной ширины линии Д5м центральной линии. Т.е. дырка сгорает в линии поглощения, и энергия проникает глубже в трубку. Поглощение имеет место даже при насы щении благодаря посто5шному спонтанному излучению из верхнего энергетического уро ня. Средняя сила на атом также насыщается и является постоянной по всей длине трубки за исключением случая увеличения мощности, когда увеличивается эффект накачки на значительно возрасгеных энергетических уровнях. Величина насыщения силы равна(Ь/,7)х «(ДТс /ЛУв) г-Д м - естественная продолжительность существования верхнего энергетического уровня. И, наконец, назначение буферного газа заключается в увеличении числа столкновений. При столкновениях в средней насы щенной силе 1/ цзаменяется { /В +/ ) и гчЗ -заменяется IД д-ц + + д ); где является шириной Лорентса. Затем кр Произошло в основном полное разделение, что требует общего числа фотонов в секунду равного 2flt WQX pft/1) У 1,7x1 фотонов в секунду, что примерно равно 6 Вт, В условиях насыщения улавливание распространенног света незначительно. Почти вся падающая энергия уходит из газа без выделения тепла. Эта технология применена для любой комбинации газоВо Даже разные изотопы одного и того же атома могут быт разделены благодаря изотспическому сме щению резонансных линий. Буферный газ эффективно уменьшает продолжительность существования верхн го энергетического уровня резонансного перехода излучения натрия и значительно увеличивает среднюю силу, аейсткующуЬэ на атом. Изотопное разделение давления излучения также возможно, когда изотопы находятся в атомарной форме, а также когда они соединены в виде молекул, как, например,- форма углеводорода, описанная выше. В качестве изотопов, легко подающихся разделению, можно привести изото пы калия, К и К , особенно обычный изотоп. имеет линии резонансного излучения при 0,7699 и 0,7665 каждая из которых применима для достижения поставленной . цели т.е. когерентный свет с длиной волны, равной одной из .указанных выше, подается в устройство, подоб-. нее устройству, изображенному на фиг.1, в то время как более редкие изотопы К из-за смешения частоты в его соотве1 Ътвующей пинии резонансного излучения, будут выходить из-области 11 и собираться в вакуумном насосе 6 или непосредственно перед насосом 6, Типичное смещение таких резонансных о ЛЛ| J линий измерения для К и К будет порядка нескольких 10 Гц. Это смешение в линии резонансного излучения достаточно для того, чтобы сильно уменьшить силу давления излучения на более редкий изотоп. Для осуществления такой конструкции очень желательно, чтобы Для генерирования когерентного света с нужной длиной световой волны использовался регулируемый когерентный оптический источник света. Для этой цели наиболее подходящим является регулирующий параметрический генератор, в котором используется активный кристалл бариево- ,натриевого ниобата, накачиваемый Арго- .новым ионным лазером. Если непрерывное генерирование света не является целесообразным, то достаточно быстро-импупьсного генерирования. Значительное увеличение поперечного сечения атома для резонансного взаимодействия с лазерным лучом с фотонной энергией подходящей для перехода атома, позволило использовать давление излучения для инверсии населенности в сравнительно коротковолновых газообразных системах . Такая система представлена на фиг.2. Емкость 3 газообразной среды 11, имеющая коротковолновые переходы на энергетических уровнях, которые значительно выше основного состояния, присоединена к вакуумной камере 1, газ из которой

откачен с помощью вакуумиог-о насоса ь. Газообразная среда 11. вос буждается разрядом постояшюго тока из электрического, источника 10, соединенного между анодом 8 и катодом 9 на противоположных концах резервуара 3.

Для генерирования высокой температуры в среде 11 резервуара 3 без необходимости осуществления инверсии населенности могут использоваться тепловые, химические и другие средства.

Для облегчения инверсии населенности в среде 11 производится накачка давлением излучения части среды 11с неинверсированной населенностью (часть с основным состоянием), что осуществляется с помощью лазерного источника 4 не- прерьшного излучения, например лазера, настроенного на главные переходы (переходы резонансного излучения) из основного состояния. Луч света из источника 4 фокусируется линзами 5, в результате чего он эффективно заполняет площадь поперечного сечения сужения 2 вакуум ной камеры.

Часть среды 11, инверсированной населенностью, не вступает в резонансное взаимодействие с лучом из источника 4 и диффузйрует в направлении линзы 5. Поперек сужения 2 расположен оптический резонатор в оптимальном осевом положении в смысле плотности инверсированных положений и их ожидаемой продолжительности существования. Для того, чтобы не затемнить рисунок на нем по-

--N/

казан только задний отражатель 13 этого резонатора. Передний отражатель (не показан) может быть частично проводящим ток. так что полезный выходной луч высокой энергии отражается в направлении,

- -..т/ .- Г V. f J Y7: -J -;-:k

---7 V-- 7 -.--:/.--Р

которое находится вне плоскости 4epiV жа (фиг.2). Предполагается, что инверсии населетюсти могут быть осуществлены на коротких длинах волн, таких как улы ра4)иолетовые.

Использованные молекулы будут или выкачены обратно в резервуар 3 давлением излуче1шя или удалены вакуумным насосом 6. Несколько использованных молекул могут быть вновь возбуждены до верхнего лазерного уровня источником 4, все еще находясь в пределах резонатора, и опять стать частью инверсированной населе1шости в резонаторе.

Формула изобретения

Устройство для разделения нейтральных частиц, отличающееся тем, что оно содержит три камеры, последовательно расположенные на общей оси, первая из которых выполнена с источником оптического излучения и фокусирующим элементом, установленным на той же оси, и вакуумный насос, соединенный с первой камерой, при этом вторая камера выполнена с поперечным сечением, меньщйм поперечного сечения двух других камер и соответствующим поперечному сечению сфокусированного пучка оптического Излучения; а в третьей камере установлены анод и катод, соединенные с источником постоянного тока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

.-:..::,/;

.o h/i

/2