ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Многофотонная изотопически-селективная ИК диссоциация молекул из "Изотопы Свойства, получение, применение Том 1" Введение. Среди различных способов лазерного разделения изотопов (см. раздел 8.1) метод, основанный на изотопически-селективной многофотонной диссоциации молекул ИК лазерным излучением (ИК МФД), является одним из наиболее перспективных и разработанных. С момента обнаружения эффекта изотопической селективности ИК МФД в 1974 г. [1] проведено большое число исследований (см., например, [2-5]) как самого эффекта, так и возможности создания на его основе новой технологии разделения изотопов. Эти исследования выполнены для многих изотопов, начиная с лёгких (водород, дейтерий) и кончая тяжёлыми (осмий, уран), содержащихся в самых различных молекулах. В табл. 8.3.1 отражены некоторые из полученных результатов. Здесь приведены изотопы и соединения, с которыми проводились эксперименты, а также достигнутые значения параметров селективности. [c.445] В настоящее время рассматриваемый метод для ряда изотопов доведён до уровня промышленной технологии. Проблемы, которые пришлось решить на этом пути, а также реализация этого процесса для изотопов углерода рассматриваются в разделе 9.4. В данном же разделе мы остановимся на самом эффекте изотопической селективности ИК МФД, рассмотрим основные факторы, определяющие параметры элементарного акта разделения. Но, прежде всего, рассмотрим основные параметры, характеризующие процесс ИК МФ диссоциации. [c.445] СИЛЬНО неравновесное распределение молекул по колебательной энергии. Процесс ИК МФВ часто характеризуют таким параметром как среднее число квантов п или средняя энергия ё = пНи, поглощённая в расчёте на одну молекулу. Несмотря на то, что этот параметр используется довольно часто, он является весьма грубой характеристикой среднего уровня возбуждения молекул. Связано это с тем, что формируемое в процессе ИК МФВ колебательное распределение сильно неравновесно [2, 3]. Как правило, в квазиконтинуум попадает лишь некоторая доля q 1 возбуждаемых молекул, остальные застревают в системе нижних дискретных уровней. В этом случае более адекватной характеристикой ансамбля сильно возбуждённых молекул является параметр q — средняя энергия молекул в этом ансамбле, q е. [c.446] Другими словами, параметр а есть отношение вероятностей диссоциации за один импульс молекул двух сортов АВ и АВ. [c.448] При преимущественной диссоциации молекул АВ происходит обогащение остаточного газа изотопом АВ. Величина обогащения характеризуется степенью разделения Кост. [c.448] Из соотношений (8.3.6) и (8.3.7) можно получить достаточно очевидный результат, а именно в остаточном газе величина Кост увеличивается по мере облучения и при достаточно долгом облучении можно получить любое, наперёд заданное значение /( ост- В продуктах диссоциации степень разделения падает по мере облучения газа. При малом расходе газа в кювете. [c.448] Вместе с тем отметим, что максимально достигнутое значение А пр(32/34) = 8 существенно меньше ожидаемой величины /З32//З34 и 100. Связано это с частичной потерей селективности из-за столкновений (см. ниже). [c.450] Величина изотопного сдвига в возбуждаемом колебании для молекул СР2НС1 составляет более 20 см . [c.451] Многочастотное возбуждение является особенно эффективным, а в ряде случаев — и принципиально необходимым при малых значениях изотопного сдвига. Так, в экспериментах по изотопически-селективной ИК МФД молекул где изотопный сдвиг составляет всего Аг из = 0,26 см У1 а.е.м. селективность была достигнута только при двухчастотном облучении. Следует отметить, что и в случае лазерного разделения изотопов и (изотопный сдвиг А -из 0,6 см ) на основе ИК МФД молекул иРе, значения селективности, представляющие интерес для создания промышленной технологии лазерного обогащения были получены только при использовании многочастотного облучения [55-57]. [c.451] Ещё один метод многочастотной ИК диссоциации молекул основан на возбуждении обертонов высокочастотных колебаний (С-Н, 51-Н и др.) при одноквантовом поглощении излучения на одной частоте и последующей ИК МФД этих предварительно возбуждённых молекул в результате многофотонного возбуждения лазерным излучением на другой частоте [61]. В силу высокой селективности первой ступени, этот метод может обеспечить высокую селективность диссоциации. Так, в [61], в экспериментах с молекулой СР3Н при возбуждении второго обертона колебания связи С-Н было получено значение о (13/12), равное примерно 9000. [c.451] Это указывает на довольно очевидный путь повышения селективности ИК МФД, а именно, — понижение температуры газа. Такой подход был предложен ещё в одной из ранних работ [62], а затем успешно реализован в целом ряде последующих экспериментов (см. обзор в [2, 3]). [c.452] Рассмотрим пример ЗРб- Для обогащения продуктов диссоциации изотопом 5 необходимо осуществить селективную диссоциацию 5Рб. Из-за сравнительно большой ширины спектра ИК МФД (см. рис. 8.3.1) и относительно малого изотопного сдвига (А/ из 8,7 см ) для колебания 1/3 молекул 5Рб, 5Рб и ЗРб добиться высокой селективности диссоциации 5Рб при комнатной температуре невозможно. Максимальные ожидаемые одновременно значения о (33/32) и о (33/34) (из пересечения кривых на рис. 8.3.1) составляют около двух. Поэтому в [37] для увеличения селективности было использовано охлаждение ЗРб ДО Г = 173 К. Понижение температуры привело, как и следовало ожидать, к сужению спектра ИК МФД, а следовательно — к повышению селективности. Последняя увеличилась более чем в 3 раза и достигла значения а(33/32) = 7. [c.452] Увеличение давления газа приводит к тому, что за время МФ диссоциации, т. е. за время, в течение которого распадается основная доля диссоциирующих молекул (это время может и превышать длительность лазерного импульса (см. ниже)), может происходить довольно большое число столкновений. В результате этих столкновений изменяются колебательные и вращательные состояния сталкивающихся партнёров. Процессы колебательной (У-У и У-У обмен), колебательно-поступательной (V-T/R) и вращательной релаксации могут оказывать заметное, а при некоторых условиях и весьма значительное влияние на процесс МФ диссоциации и величину наблюдаемого выхода диссоциации. При возбуждении двухкомпонентной среды влияние столкновений на селективность в конечном счёте сводится к тому, что столкновительные процессы по-разному воздействуют на процесс МФ диссоциации различных компонент. Однако конкретных возможностей такого влияния довольно много. [c.453] Существование нескольких типов релаксационных процессов и различие в скоростях этих процессов (вращательная релаксация происходит за несколько газодинамических столкновений, колебательная — примерно за десять и более столкновений, а V-T/R релаксация требует порядка 10 столкновений) приводят к тому, что влияние столкновений на селективность сильно зависит как от условий возбуждения, так и от свойств самой возбуждаемой молекулы и типа партнёра по столкновению. [c.453] Аналогичные эффекты в большей или меньшей степени имеют место и для других молекул. Что касается вращательной релаксации, то её роль определяется наличием вращательного узкого горла (рис. 8.3.3), а её воздействие, как и его знак, зависят от условий возбуждения. В частности, одним из путей увеличения селективности за счёт вращательной релаксации является отстройка от центра полосы возбуждения обеих компонент. [c.455] СТИ ИК МФД ОТ собственного давления газа показали, что действительно, наблюдается резкое, близкое к экспоненциальному (см. рис. 8.3.5) уменьшение а с ростом давления р. [c.456] Вернуться к основной статье