ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Разделение изотопов в положительном столбе газового разряда из "Изотопы Свойства, получение, применение Том 1" Введение. Интерес к исследованию разделения изотопов в газовых разрядах возникал и прежде того, как шведский физик Боневье в 1971 году своими экспериментами с вращающейся плазмой положил начало направлению, названному плазменным разделением изотопов. Ещё в 30-е годы Грот и Хартек наблюдали разделение водорода и дейтерия в тлеющем разряде [Г. В конце 60-х годов сотрудниками Сухумского физико-технического института (Демирханов и др.) было обнаружено разделение изотопов и газовых смесей в высокочастотном разряде с бегущим магнитным полем. Эта работа не публиковалась, имеются две краткие публикации о последующих экспериментах в Сухуми [2, 3]. [c.338] Схема первой установки [4] дана на рис. 7.4.1. Разрядная камера представляла собой водоохлаждаемую цилиндрическую кварцевую трубу с внутренним диаметром 0,08 м и длиной 1,2 м, установленную вертикально. На разрядную камеру накладывалась медная трёхзаходная спиральная обмотка диаметром 0,12 м с шагом в несколько см, подключённая к трёхфазному ВЧ генератору, работавшему в непрерывном режиме на частоте 1,06 МГц. Обмотка возбуждала в разрядной камере наряду со слабым вращающимся магнитным полем бегущую магнитную волну. [c.339] Фазовая скорость бегущей волны Vph = 1,2 10 м/с. Изучалось разделение изотопов ксенона, его начальное давление р в разрядной камере изменялось в диапазоне 4 10 -5 10 Тор. Рассеиваемая в плазме мощность W составляла несколько киловатт. Бегущая волна, взаимодействуя с токами в газоразрядной плазме, сжимает газ в осевом направлении Fz jip Br). Повышенное давление газа наблюдается в том конце камеры, к которому направлена бегущая волна. Величина перепада давления Ар пропорциональна рассеиваемой в плазме мощности W (рис. 7.4.2) и достигала в данных экспериментах 2,2 10 Тор. Многочисленные измерения перепада давления в экспериментах с ВЧ разрядом данного типа были связаны с желанием выяснить природу изотопного разделительного эффекта. [c.339] Уже в первых дискуссиях о природе эффекта [2, 5] обсуждался бародиффузионный, т. е. связанный с наличием продольного градиента давления механизм разделения изотопов. [c.339] Знак эффекта разделения изотопов в ВЧ разряде определяется направлением распространения бегущей волны. На том конце камеры, где давление газа повышается, газ обогащается тяжёлыми изотопами. Соответствующее обогащение лёгкими изотопами наблюдается на противоположном конце разрядной камеры. [c.339] На рис. 7.4.3 представлены величины коэффициента изотопного обогащения ксенона, измеренные в работе [4]. Для повышения точности измерений в экспериментах использовалась искусственная бинарная смесь изотопов 129Хе и 13бхе с примерно равной концентрацией. Величина коэффициента обогащения г = (а — 1) 100%, где а — коэффициент разделения. Величина коэффициента разделения а = С /Сх) ( i/ 2)o где С я С2 — концентрации компонентов бинарной смеси в газовых пробах, взятых на концах разрядной камеры. Индексы L и О относятся, соответственно, к областям сжатия и разрежения. [c.339] Рь/ро и выяснить степень соответствия бародиффузионной формулы (7.4.2) наблюдаемому разделительному эффекту. [c.342] Измерения показали, что зависимость г от п рь/ро) близка к линейной (рис. 7.4.5). Коэффициент пропорциональности к в зависимости S = к п рь/ро) при низких начальных давлениях (Кг и Хе, р = (1-3) 10 Тор) примерно равен /Jl (зависимость 2, рис. 7.4.5). Однако в основном к /Jl. С увеличением начального давления р до 1 Тор, величина 1п(рь/ро) в криптоне и ксеноне уменьшается в 10-20 раз, величина же — всего в 2-3 раза. На рис. 7.4.6 представлена зависимость коэффициента обогащения в криптоне от начального давления р. Следует учитывать, что из-за наличия балластных объёмов средняя плотность частиц в разряде всегда ниже той, которая соответствует начальному давлению р (вследствие нагрева газа в разряде и влияния электронного давления). Так при р = 1 Тор (рис. 7.4.6) величины р и ро равны, соответственно, 1,9 и 1,7 Тор. При указанном выше соотношении рабочего и балластных объёмов такое распределение газа означает, что в области разряда находится не более 20% от его первоначального количества. Для сравнения на рисунке показаны штрихом значения е, которые должны были наблюдаться, если бы разделение соответствовало бародиффузии в неионизованном газе г = (1/д) 1п(р /ро). Видно, что разделительный эффект не следует бародиффузионной формуле. В данных экспериментах, как и в работе [4], величина эффекта по существу определялась рассеиваемой в плазме мощностью W. В то же время трудно полностью связывать наблюдаемое разделение изотопов и с термодиффузией, поскольку максимальные значения екг и гхе (3,5%) получены в условиях, когда практически отсутствует вклад от термодиффузии. Оценка этих условий имеется в работе [И]. [c.342] При наличии трубки эффект уменьшился на 30-50%, но такое уменьшение происходило и при р Ар (зависимость 3, рис. 7.4.5). Можно обратить внимание на минимум величины г, наблюдавшийся в работе [4] при р = 1,6 х X 10 Тор (рис. 7.4.3). Казалось бы, он и указывает границу между двумя механизмами разделения изотопов. Однако и здесь суш,ествует противоречие — при том же начальном давлении наблюдается минимум Ар, возможно сви-детельствуюгций об изменении структуры разряда. [c.343] Более интересными в качественном плане оказались эксперименты по разделению изотопов при ВЧ разряде в газовых смесях. [c.343] В экспериментах по разделению изотопов кадмия [10] необходимой балластной добавкой являлся ксенон. Предполагалось, что ксенон не препятствует разделению изотопов легкоионизуемого компонента смеси, которым в данном случае являлся кадмий. Величина коэффициента обогащения изотопов кадмия еса = (2,5-3,5)%. [c.343] Разделение смесей инертных газов. Измерялись коэффициенты разделения смесей Кг-Хе, Ne-Xe, Не-Хе, Ne-Kr. При низких начальных давлениях (р 3 10 Тор) разделение смесей одинаково эффективно и связано с преимущественным увлечением легкоионизуемого компонента бегущей волной. Величина коэффициента разделения а определяется отношением парциальных давлений легкоионизуемого компонента в балластных объёмах. Например, для первых трёх из указанных смесей а рь/Ро)х%, а концентрационная зависимость коэффициента разделения слабая (рис. 7.4.7). [c.344] Существенно отличается процесс разделения газовых смесей при повышенных начальных давлениях р 10 Тор. Разделение смеси Кг-Хе в этом случае незначительное, а = 2 -h 4 при всех её составах. Разделение смесей Ne-Xe и Ne-Kr имеет сильную концентрационную зависимость и при Ne 80% оказывается практически полным а 10 . На рис. 7.4.8 приведена концентрационная зависимость коэффициента разделения а смеси Ne-Xe. Данные по смеси Ne-Kr содержатся в работе [9 . [c.344] Что касается применения ВЧ разряда на практике, то представляется возможным создание каскада таких установок для получения некоторых изотопов кадмия и цинка. Но при достигнутом уровне разделительного эффекта это производство не будет рентабельным, поскольку одни лишь энергетические затраты составят более 10 кВт ч/ЕРР. [c.345] В разряде постоянного тока давление у катода ниже давления у анода Рс Ра- Формально распределение концентрации изотопов в нём обратно тому, которое наблюдается в ВЧ разряде, где тяжёлыми изотопами обогаш,ается область повышенного давления. Однако относительно направления переноса ионов в разряде оба распределения аналогичны. Можно было предполагать, что и в ВЧ разряде, и в разряде постоянного тока проявляются сходные механизмы разделения изотопов. [c.346] Исследования изотопного разделительного эффекта. Эти исследования проводились в лабораториях РНЦ Курчатовский институт [11, 19-22] и Токийского технологического института [23-25]. Экспериментальные установки в обеих лабораториях существенно не отличались, несколько различались лишь параметры разряда. Мы представим устройство установки, применявшейся в РНЦ Курчатовский институт . Её схема показана на рис. 7.4.9. Использовались кварцевые разрядные трубки 1, охлаждаемые проточной водой. Длина сужения L составляла в них 100, 170 и 190 мм, а внутренний диаметр d был равен 3 или 9 мм. Концы разрядных трубок соединялись с металлическими камерами 2, 3, через которые производились откачка, напуск газа и отбор проб. Разрядная трубка, включая электродные области, могла помещаться в однородное магнитное поле (Bz 0,1 Тл). Катод и анод укреплялись на водоохлаждаемых токовводах 4, 5. В качестве катода использовалась танталовая трубка длиной 100 мм и диаметром 10 мм, изготовленная из танталовой фольги толщиной 0,03 мм. Анодом служил ниобиевый цилиндр длиной 35 мм и диаметром 10 мм. Поджиг разряда производился через высоковольтный трансформатор 6. [c.346] Исследовалось разделение изотопов неона, криптона и ксенона при разряде в каждом из газов, разделение изотопов неона и криптона при разряде в смесях неон — криптон, разделение самих газовых смесей. Использовавшиеся в экспериментах газы имели природный изотопный состав. Пробы газов отбирались из катодного и анодного балластных объёмов после установления в них равновесной концентрации изотопов. Постоянная времени установления равновесной концентрации изотопов в балластных объёмах достигала 60 мин (Хе, р = 10 Тор, L — 170 мм, d = 3 мм, / = 10 А). [c.347] В экспериментах, проводившихся в Токийском технологическом институте, плотность разрядного тока достигала 260 А/см . Изотопный разделительный эффект измерялся при разряде в неоне, аргоне и криптоне. [c.347] В экспериментах с разрядом, помещённым в продольное магнитное поле, была попытка получить качественное подтверждение одному из предложенных в 15, 21] механизмов разделения изотопов. [c.347] Этот механизм связывался с разницей степеней ионизации изотопных компонентов, возникающей вследствие неодинаковой скорости ухода лёгких и тяжёлых ионов на стенки в процессе амбипо-лярной диффузии. Магнитное поле уменьшает радиальный поток заряженных частиц [26]. Предполагалось, что вследствие этого уменьшится и разница степеней ионизации. [c.347] Вернуться к основной статье