ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Лазерное разделение изотопов углерода из "Изотопы Свойства, получение, применение Том 1" Введение. С момента открытия физического явления до внедрения результатов исследований в повседневную практику требуется определённое время. Г. Герц в 1932 г. впервые продемонстрировал процесс разделения изотопов через пористые перегородки, и только в середине 40-х годов было освоено крупномасштабное разделение изотопов урана газодиффузионным методом, которое существует в США и Франции до сих пор. Как известно, толчком к такому быстрому развитию технологии явилась Вторая мировая война. [c.460] В сороковые и пятидесятые годы были освоены практически все известные методы разделения изотопов газодиффузиозный, электромагнитный, центрифужный, химический обмен, ректификация. Стимулом, резко ускорившим поиск и исследование оптических методов, явилось интенсивное развитие лазерной техники в бО-е-70-e годы. Сегодня работы по разработке и внедрению новых методов разделения изотопов в значительной мере мотивируются прогрессом науки и технологии, которые всё более нуждаются в веществах с регулируемым изотопным составом. [c.460] В 1974 году в Институте спектроскопии РАН был обнаружен эффект изотопически-селективной многофотонной диссоциации молекул (МФД) под действием резонансного ИК-излучения [1]. В течение двух десятилетий сотрудники ряда исследовательских центров, а также институтов РАН проводили исследования в целях создания основанного на этом эффекте промышленного метода разделения изотопов лёгких и средних масс (бор, сера, углерод, кислород, титан и др.). [c.460] Переход от лабораторных экспериментов по лазерному разделению изотопов к промышленной технологии разделения потребовал проведения серьёзных работ по масштабированию процесса и решения целого ряда физико-технических проблем. Перечислим наиболее важные из них. [c.460] Перечисленные проблемы решались и в значительной мере были успешно решены в процессе работ по масштабированию лазерного разделения изотопов на основе ИК МФД молекул. Основные итоги этих работ приведены в монографии [2. [c.461] В проведённых экспериментах не удалось, однако, реализовать все преимущества лазерного метода разделения. Это связано со следующими причинами спектральные свойства SF0 не позволяют осуществить оптимальную схему разделения с диссоциацией целевого изотопа на первой ступени (см. [2]) высокая энергия разрыва связи SF5-F Dq 4 эВ) и поглощение лазерного излучения продуктами диссоциации — радикалами SF5 приводит к большим затратам энергии 42,5 эВ на диссоциацию одной молекулы. Кроме того, сравнительно высокие значения плотности энергии лазерного излучения Ф 6 Дж/см , требуемые для эффективной диссоциации молекул. [c.461] Тем не менее, полученные в ходе работ по масштабированию результаты, а также найденные инженерно-технические решения сыграли исключительно важную роль при разработке промышленной технологии лазерного разделения изотопов углерода. [c.462] Обзор спектральных характеристик этой молекулы можно найти в работе [16]. В диапазон частот генерации СОг-лазера попадают частоты двух основных мод Z/3 и г/8, представляющие собой симметричное и антисимметричное валентные колебания связей F- -F. [c.463] Показан также участок спектра генерации СОг-лазера в области 9 мкм — линии 9Р(20)9Р(28), для которых достигнуты оптимальные параметры элементарного акта разделения. Частоты лазерного излучения смещены от центра полосы поглощения 1 Ср2НС1 на величину Аи 70 80 см 1 в длинноволновую часть ИК спектра. [c.463] Энергия диссоциации составляет величину 20- 10 см 1 [5]. В отличие от диссоциации SP и P3I, для молекулы P2H I нет необходимости в добавлении акцепторов, связывающих продукты диссоциации, так как радикалы с большой скоростью рекомбинируют с образованием тетрафторэтилена С2р4-Константа скорости рекомбинации измерена в [6] и составляет величину 2,2- 10 см /моль- с. Образование тетрафторэтилена исключает протекание обратной реакции с НС1 в нормальных условиях. [c.463] Эксперименты по масштабированию процесса лазерного разделения изотопов углерода на основе ИК МФД F2H I [15, 17] подтвердили высокую перспективность использования этого соединения в качестве рабочего веш,ества при создании промышленного производства изотопов углерода лазерным методом. В этих работах были исследованы некоторые особенности селективной МФД F2H I излучением ИП TEA СОг-лазера и получена опытная партия высокообогащённого по С (99,99%) фреона-22. Полученные результаты были использованы при проектировании и создании промышленной установки — комплекса Углерод . Далее будут рассмотрены вопросы создания лазерного разделительного блока и представлены основные параметры установки Углерод . [c.464] При размерах пучка 3 х 3 см необходимо иметь энергию в импульсе 40 -ь 100 Дж и среднюю мощность 8 -ь 20 кВт, что представляется сложной технической задачей. Проблема стойкости оптических элементов такая же, как в первом варианте. Поэтому для комплекса Углерод была предложена видоизменённая схема внутрирезонаторного размещения лазерного разделительного реактора (ЛРР). [c.465] Оптическая схема ЛРБ. Разработанная нами оптическая схема ЛРБ позволяет сочетать достоинства перечисленных способов формирования лазерного пучка и практически полностью устранить их недостатки. В основе схемы лежит внутрирезонаторное размещение ЛРР и использование сложного составного резонатора TEA СОг-лазера с длиннофокусной формирующей оптикой. Именно такой резонатор позволяет получить большой объём каустики с плотностью энергии 10 Дж/см при давлении газа в ЛРР 20- 100 мм рт. ст. Составной резонатор TEA СОг-лазера (см. рис. 8.4.4) состоит из дифракционной металлической решётки М (с радиусом кривизны R ), проходной резонаторной линзы L (изготовленной из КС1, Na l или КВг) с фокусным расстоянием/ и металлического сферического зеркала Мг (с радиусом кривизны / г)- При этом предполагается, что слева от линзы (в резонаторе OPi длиной Ь ) находится активная среда СОг-лазера, а справа (в резонаторе 0 г длиной L ) — облучаемый газ. [c.465] ОСНОВНОЙ поперечной моды. Результаты расчёта радиуса гу амплитуды поля (по уровню 1/е) приведены в табл. 8.4.1 и на рис. 8.4.5 для следующих параметров резонатора Ь = 1800 мм, Я1 = оо (плоская дифракционная решётка) 2 = 5000 мм, Г = 2500 мм. [c.466] Экспериментальные измерения распределения поля для основной поперечной моды в таком резонаторе дали хорошее согласие с результатами расчёта. В многомодовом режиме характерный размер пучка можно оценить из Шп г1 о /2гг + 1, где п — поперечный индекс моды в соответствующем направлении. [c.466] Это позволяет сделать следующая система (см. рис. 8.4.6). Она состоит из трубопроводов Т и Т2 с регулируемой подачей газообразного азота (который не поглощает излучение СОг-лазера) в их концы. Расход и соответствующая линейная скорость потока азота по трубопроводам подбирается таким образом, чтобы компенсировать диффузионный поток фреона из реактора (в центре рисунка). Регулировкой разницы в подаче азота компенсируется газодинамический поток, возникающий из-за несимметричности в конструкции реактора. Кроме того, на входе и выходе реактора установлены дополнительные газодинамические устройства К и К2 для поддува азотом. Эти меры позволяют сосредоточить газ только в центральной зоне реактора, где и расположена область перетяжки Ьр. [c.467] Принципиальная схема ЛРБ и назначение основных узлов. Принципиальная схема ЛРБ (см. рис. 8.4.7) состоит из следующих основных узлов 1 — блок дифракционной решётки 2 — импульсно-периодический TEA СОг-лазер с ультрафиолетовой предионизацией 3 — узел резонаторной линзы 4 — система транспортировки излучения 5 — лазерный разделительный реактор 6 — блок резонаторного зеркала. [c.467] Источником излучения является импульсно-периодический TEA СОг-ла-зер. Блок дифракционной решётки служит для перестройки длины волны лазерного излучения в диапазоне 9,6 ч- 10,6 мкм. В большинстве случаев в качестве дисперсионных элементов используются дифракционные решётки из сплава АМЦ с числом штрихов 100 -ь 150 штр/мм, с углом блеска 30° в режиме автоколлимации для необходимой длины волны и коэффициентом отражения 94 ч- 96% в 1-й порядок дифракции и 2 4% — в нулевой. Отражение в нулевой порядок используется для контроля и диагностики параметров лазерного излучения. [c.467] Узел резонаторной линзы является одним из основных элементов системы формирования лазерного пучка в реакторе, а также служит для разделения газовых сред СОг-лазера и реактора, находящихся при разных давлениях. Линзы могут быть изготовлены из кристаллов Na l, K l или КВг. Несмотря на то, что, как указывалось выше, плотность энергии излучения на этом элементе не слишком высока, 1 Дж/см , для надёжной и длительной его работы необходимы система обдува для устранения возможности попадания пыли и влаги на поверхность линзы, а также выполнение особых требований по обработке и качеству кристаллов (отсутствие легирующих добавок, однородность и т.п.). В лазерном разделительном реакторе осуществляется процесс разделения. Реактор также включает системы питания и последующего отбора облучённого газа с регулировкой газовых потоков. [c.468] Вернуться к основной статье