Способ фотодиссоциации газа лазерным излучением Советский патент 1982 года по МПК H01S3/02 B01D49/00 

Изобретение относится к области зерного разделения изотопов. Известен способ, основанный на использовании оптического излучения для разделения изотопов (способ фотохимического разделения) 1. Этот способ основан на увеличении реакционной способности молекулы определенного изотопного состава ( АВ после одноступенчатого возбуждения его монохроматическим светом. Изотопически селективно возбужденная молекула вступает в химическую реакцию с подходящим атомным или молекулярным акцептором до потери молекулой возбуждения и затем отделяется стандартными химичеческими методами. Этот способ используется, в частности, для разделения изотопов хлора путем возбуждения молекулы фосгена линией алюминиевой искры на длине волны 2816, 18 А. Недостатком этого способа является неизбежность использования столкновений между селективно возбужденными молекулами и молекулами акцептора, во время которых происходит с большей вероятностью потеря возбуждения, а при столкновении облучаемых молекул между собой - передача возбуждения между молекулами (одв и АВ различного изотопного состава. Эти неизбежные аффекты резко повышают энергозатраты и снижают коэффициент разделения изотопов фотохимическим способом. Известен способ фотодиссоциации газа лазерным излучением 2. Способ включает поочередное воздействие на газ инфракрасного и ультрафиолетювого излучений. Недостатком этого способа являются, во-первых, высокие энергозатраты, обусловленные высоким потенциалом фотоионизации молекул и необходимостью применять лазерное излучение в области вакуумного ультрафиолета, и, во-вторых, низкой селективностью фотоионизации из-за малого сдвига полосы фотоионизационного поглощения при селективном возбуждении колебательного состояния ИК-излучением. Целью изобретения является повышение селективности диссоциации молекул при одновременном уменьшении энергозатрат. Поставленная цель достигается тем, что в способе фотодиссоциации газа лазерным излучением, полиизотопный газ подвергают одновременному воздействию двух лазерных излучений различных частот, одно из которых - монохроматическое - с частотой, соответствующей спектральной линии

поглощения молекулы с определенным изотопом, возбуждает только молекулы с этим изотопом, а другое - с частотой, меньшей порога фотодиссоциации невозбужденных молекул, но достаточной для фотодиссоциацин возбужденных молекул, вызывает их диссоциацию.

Для фотодиссоциации молекул, содержащих определенный изотоп, на всех вращательных подуровнях основного колебательного состояния в полинзотопный газ добавляют буферный инертный газ, имеющий частоты возбуждения, отличающиеся от резонансной частоты возбуждения основного газа.

Полиизотопный молекулярный газ АВ + подвергают одновременному воздействию двух лазерных излучений разлнчных частот «i и tog.

На фиг. 1 представлены спектр поглощения молекул полиизотопного газа (а) и схеыа их энергетических уровней (б). Частота cui соответствует спектральной линии поглощения молекулы , содержащей выделяемый нзотоп (А. Поглотив квант излучения с энергией Йшь молекула АВ переходит из основного состояния с энергией о в возбужденное состояние с энергией ЯкЧастота второго лазерного излучения ojg меньше порога фотодиссоциацин невозбужденных молекул АВ, но больше порога диссоциации возбужденных молекул АВ. Поглощение возбужденной молекулой кванта вызывает ее диссоциацию. Частота сод выбирается в области сдвига фотодиссоциационной полосы поглощения молекул АВ, где отношение коэффициентов поглощения селективно возбуЖх енных молекул АВ н невозбужденных молекул АВ максимально. Молекулы иного изотопного состава не способны поглощать излучение на частотах оз, и cog и, следовательно, остаются не диссоциированными. Продукты селективной фотодиссоциации химически отличны от исходных молекул и удаляются стандартными химическими методами.

С целью увеличения производительности процесса необходимо осуществлять фотодиссоциацию всех молекул, содержащих определенный изотоп, несмотря на тепловое распределение их по многим вращательным подуровням основного колебательного состояния. Для этого в полиизотопный молекулярный газ добавляют буферный инертный газ, не поглощающий лазерное излучение, который перемещивает вращательные состояния молекул.

Соответствующим оптимальным выбором частот излучений wj и wg. их интенсивностей и длительностей действия, выбором промежуточного возбужденного состояния молекулы, давления газа можно реализовать разделение изотопов с низкими энергозатратами и производительностью процесса, близкой к теоретической предельной, под

которой подразумевается диссоциация каждой молекзлы определенного изотопного состава в смеси с вероятностью порядка единицы с затратой световой энергии, равной энергии фотодиссоциации молекзлы. В часткости, с целью увеличе 1ия коэффициента разделе1 ия необходимо увеличивать сдвиг фотодиссоциациоиной полосы поглощения молекул, используя схемы с селективным возбуждением: а) на основной колебательной частоте; б) возбуждение на колебательном обертоне; в) двухступенчатое возбуждение колебаний (фкг. 2).

Данный способ двухступенчатой селггктивной диссоциации молекул лазерным излучением открывает новые возможности для высокоэффективного разделения изотопов, преимущественно тех, с которыми трудно оперировать в атомар1юм состоянии. Низкие энергозатраты, высокая селегстивность

фотодиссоциации и применимость ко многим технически важным изотопам делают способ экономичным и вьгсокотехнологи1иым.

Формула изобретения

1.Способ фотодиссоциации газа лазерным излучением, отличающийся тем, что, с целью обеспечения селективной диссоциации молекул, содержащих только определенный изотои, полиизотопный газ подвергают одновременному воздействию двух лазернь х излучений различных частот, одно из которых - монохроматическое с частотой, соответствующей спектральной линии поглощения молекулы с определенным изотопом, возбуждает только молекулы с этим изотопом, а другое - с частотой, меньшей порога фотодиссоциации невозбужденных

молекул, но достаточной для фотодиссоциации возбужденных молекул, вызывает их диссоциацию.

2.Способ по п. I, отличающийся тем, что, с целью фотодиссоциации молекул, содержащих определенный изотои, на всех вращательных подуровнях основного колебательного состояния в полиизотопный газ добавляют буферный инертный газ, имеющий частоты возбуждения, отличающиеся от резонансной частоты возбуждения основного газа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. К. Luber. iMature, 136, 796, 1935.

2. Патент США № 3443087, кл. 250-41.9, опублик. 1969.

fil

AB

/ Д/ИЗ

1ДВ AB