ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Принципы лазерного разделения изотопов из "Изотопы Свойства получение применение Том1" Введение. Методы разделения изотопов, в том числе с использованием света, имеют более чем полувековую историю [1, 2], однако их продолжают развивать на основе новейших достижений науки и техники. В 70-е годы начался новый этап разработки высокоэффективных методов разделения изотопов с использованием лазерного излучения и принципиально новых возможностей его воздействия на атомы и молекулы. Для того, чтобы понять преимущество этих новых методов, целесообразно дать краткую классификацию всех возможных методов разделения изотопов. [c.357] Впоследствии фотохимический метод разделения изотопов был применён для разделения изотопов Hg в малых количествах и некоторых других элементов [10]. Во всех экспериментах использовались случайные совпадения сильных линий спонтанного испускания атомов с линиями поглощения в спектрах атомов и молекул. Поскольку число таких совпадений крайне ограничено, а интенсивность узких линий спонтанного излучения невелика, то фотохимический метод разделения с оптическими (нелазерными) источниками излучения не мог быть доведён до широкого практического использования, несмотря на очевидное потенциальное преимущество, отмеченное уже в первых работах, — высокую степень обогащения в однократном процессе разделения (см. раздел 8.6). [c.359] В начале 60-х годов был создан лазер — источник когерентного стимулированного оптического излучения со следующими уникальными свойствами стимулированное излучение может быть получено на любой частоте в ИК, видимой и УФ областях спектра может быть высокомонохроматичным и иметь высокую временную когерентность и высокую интенсивность, вполне достаточную для насыщения поглощающего перехода, т. е. для возбуждения значительной части поглощающих атомов или молекул, может иметь длительность гораздо меньше времени жизни возбуждённых состояний атомов и молекул, а также имеет высокую пространственную когерентность, что позволяет коллимировать луч для облучения протяжённых объёмов вещества. [c.359] Создание такого идеального источника света прежде всего позволило вернуться к идее фотохимического разделения изотопов, так как при помощи лазера можно селективно возбуждать почти любой формы атом или молекулу на квантовом переходе, имеющем изотопический сдвиг. Создание лазерных источников интенсивного ИК излучения открыло принципиальную возможность разделения изотопов путём селективного возбуждения колебательных уровней молекул определённого изотопного состава, т. е. методом колебательной фотохимии [16], который был успешно реализован в экспериментах с молекулой Н С [17]. Но, вероятно, наиболее важно то, что лазеры позволили кардинально расширить рамки оптико-спектрального разделения изотопов за счёт новых методов изотопически-селективного воздействия лазерным излучением на вещество, которые были принципиально неосуществимы с дола-зерными источниками монохроматического излучения. [c.359] Так как все эти три процесса могут происходить в одном и том же столкновении, а соотношение между их скоростями не зависит от интенсивности лазерного излучения, то выполнение условий (8.1.1) требует очень тщательного выбора типа фотохимической реакции, возбуждаемого уровня, условий эксперимента. Другими словами, фотохимический процесс, основанный на химической реакции селективно возбуждённой частицы, недостаточно управляем лазерным излучением. [c.360] Лазерные методы изотопически-селективной ионизации атомов и диссоциации молекул принципиально обеспечивают получение а 1. Это приводит к многократному уменьшению числа каскадов разделения, сводя их во многих случаях к одному. [c.361] Низкие затраты энергии. В табл. 8.1.1 приведены сравнительные затраты энергии, эВ на атом, для различных традиционных методов разделения изотопов и для лазерных методов изотопически-селективной ионизации и диссоциации [10, 11. [c.361] Бесконтактный способ разделения, т. е. возможность осуществления процесса разделения с использованием только лазерного излучения. Отсутствие в лазерных методах традиционных разделительных элементов (тарелок, мембран и др.) обеспечивает минимальный контакт обогащаемого продукта с поверхностью разделительной установки и, следовательно, минимальное загрязнение её. Это особенно важно, например, при разделении радиоактивных изотопов. [c.361] Универсальность. Лазерные методы за редким исключением могут быть использованы с достаточно высокой эффективностью для разделения изотопов любых элементов — лёгких, средних и тяжёлых — в отличие от традиционных методов, эффективность которых зависит от массы обогащаемого изотопа. Более того, лазерные методы применимы для разделения изомерных ядер одного изотопа, отличающихся только энергией возбуждения (или формой) ядра [24. [c.362] Малый срок пускового периода. В лазерных методах сразу достигается стационарный режим работы, в то же время в традиционных методах пусковой период может достигать нескольких месяцев [1, 2]. Это позволяет в принципе переключать одну и ту же лазерную установку на разделение изотопов различных элементов. В этом случае можно использовать, например, один и тот же мощный лазер для облучения различных разделительных ячеек. [c.362] Эти требования значительно ограничивают число методов, осуществимых в промышленном масштабе на современном уровне лазерной техники. С учётом этих требований рассмотрим применение методов селективной ионизации атомов и диссоциации молекул для разделения различных изотопов. Вне нашего рассмотрения остаются чисто фотохимические методы, основанные на бимолекулярных реакциях возбуждённых атомов и молекул. Прогресс в их развитии, несмотря на полувековую историю, не столь успешен, как прогресс фотофизических методов разделения, основанных на мономолекулярных процессах ионизации и диссоциации. Поэтому мы ограничились включением короткого раздела 8.6 (см. далее) по фотохимическому разделению изотопов Нд обычным светом. [c.362] Во всех случаях облучаемое вещество представляет собой атомный пучок в вакуумной камере. В этом смысле данный метод близок к электромагнитному методу разделения изотопов, в котором также необходимо переводить вещество в атомный пар, а затем ионизировать. Однако в отличие от электромагнитного метода ионизация осуществляется изотопически-селективно, поэтому не требуется последующей сепарации ионов в массе. [c.363] Изотопически-селективная фотоионизация атомов может быть осуществлена по нескольким схемам, общей чертой которых являются предварительное изотопически-селективное возбуждение лазерным излучением одного или последовательно нескольких промежуточных уровней и последующая ионизация только возбуждённых атомов дополнительным лазерным излучением. Несколько наиболее распространённых схем селективной ионизации атомов показано на рис. 8.1.2. Для возбуждения атомов определённого изотопа обычно используют один импульс с узким, хорошо контролируемым спектром излучения, настроенным на линию поглощения целевого изотопа. В некоторых случаях возбуждённые атомы прямо ионизируют дополнительным УФ импульсом на переходе в континуум (см. рис. 8.1.2, а), но чаще всего используют ещё одну ступень возбуждения на более высокое состояние (см. рис. 8.1.2, б), что позволяет для последующей ионизации ограничиться более доступными лазерами видимого диапазона даже для атомов с потенциалом ионизации I = = 6 8 эВ. [c.363] Менделеева, представляющего интерес для разделения изотопов в атомном варианте. [c.364] Это позволяет исключить доплеровское уширение спектральных линий в тех случаях, когда оно превышает изотопический сдвиг и ограничивает изотопическую селективность возбуждения. Во-вторых, можно ускорить ионы в электрическом поле, так что различные изотопы приобретают разную скорость, и тем самым можно создать кинематический изотопический сдвиг спектральных линий и использовать его для селективного возбуждения изотопов даже при отсутствии изотопического сдвига в атомных спектрах [29]. Этот достаточно изощрённый метод, разумеется, целесообразно применять только при разделении крайне редких изотопов. На рис. 8.1.3 в качестве иллюстрации приведены результаты экспериментов по двухступенчатой изотопически-селективной ионизации ускоренных атомов К через ридберговские состояния. [c.364] Для практической реализации ионизационных методов разделения изотопов сегодня наиболее пригодны лазеры на красителях с накачкой излучением лазеров на парах металлов (Си, РЬ, Аи) с высокой частотой повторения импульсов ( 10 кГц). Последнее необходимо для более полного извлечения целевого изотопа, атомы которого пересекают область лазерного облучения с тепловой скоростью, т.е. обычно за время 10 -ь 10 с. Соответствующие лазеры накачки и лазеры на красителях разработаны для получения как умеренных [30], так и высоких значений средней мощности [31], необходимых для разделения изотопов урана в промышленном масштабе. Более подробно этот вопрос рассматривается в разделе 8.2. [c.365] В методах селективной лазерной ионизации атомов очень высок коэффициент разделения для атомов не только с изотопными, но и с изомерными ядрами. В последнем случае различие массы ядерных изомеров, отличающихся, например, только энергией возбуждения ядра, пренебрежимо мало (доли массы электрона), и все существующие методы непригодны для их сепарации. Однако атомы с изомерными ядрами имеют отчётливые различия в сверхтонкой структуре спектральных линий, что можно использовать для их разделения методом изомерно-селективной ступенчатой фотоионизации [2А. Первые успешные эксперименты в этом направлении были осуществлены для ядер 5т и Тт [32]. Это открывает принципиальную возможность глубокой переработки радиоактивных отходов ядерной технологии для разделения не только изотопов, но и изомеров ядер. Другое важное применение метода резонансной ионизации в ядерной физике — разделение изобар, т. е. атомов различных элементов и изотопов, имеющих одинаковую массу. Метод электромагнитной сепарации в этом случае непригоден, так как на выходе электромагнитного сепаратора, используемого обычно в ядерно-физических экспериментах с радиоактивными ядрами, приходится выделять исследуемые очень редкие короткоживущие изотопы на громадном фоне радиоактивного изотопа другого атома [33]. В этой направлении уже проведены успешные эксперименты [34] и метод практически реализован в ЦЕРН в кооперации с Институтом спектроскопии РАН. [c.365] Вернуться к основной статье