Изотопов разделение и лазеры

Создание неравновесности с помощью лазеров и осуществление на этой основе высокоселективных химических реакций, например лазерное разделение изотопов, рассматривается сейчас как одно из наиболее интересных направлений современной газофазной кинетики. [c.66]

Можно ожидать, что лазеры в качестве источников света найдут широкое применение в промышленном синтезе. Однако необходимые мощные лазеры до сих пор отсутствуют в продаже, и лазерные методики ограничиваются в промышленности избирательным разделением молекул и атомов. Примером такого использования служит фотохимическое разделение изотопов. Лазерное разделение изотопов зависит от сдвигов в спектре оптического поглощения в результате изотопного замещения. [c.286]

Применение лазерного излучения в химии наиб, эффективно для процессов, связанных с получением дорогостоящих продуктов и изделий (разделение изотопов, создание интегральных схем для микроэлектроники, синтез особо чистых в-в и реактивов, потребляемых в небольших кол-вах). Использование лазеров в крупнотоннажных произ-вах, по-виднмому, пойдет по пути инициирования технол. процессов, базирующихся на цепных р-циях. При длине цепи V каждый химически активный центр, созданный лазерным излучением, даст V молекул продукта. Тогда энергетич. стоимость продукта оказывается равной Qт v , где б-затраты лазерной энергии на создание активной молекулы или радикала, Т1-КПД лазера. При большой длине цепи ( 10 — [c.566]

В течение 70-х годов появились многочисленные предложения применить для разделения изотопов урана новую технологию, которая базируется на использовании лазерного излучения. В результате лазерного воздействия на молекулы, содержащие уран или свободные атомы урана, происходят различные химические или физические превращения, которые и лежат в основе разделения изотопов этого элемента. Для новой технологии характерно разнообразие схем и подходов. В предлагаемой главе приведен обзор основных методов разделения изотопов с помощью лазеров, проведено обсуждение физических процессов, лежащих в их основе, предполагаемых технологических режимов и сформулированы основные требования к лазерам, используемым для разделения изотопов. В главе приведены также некоторые соображения [c.254]

Потребность в дополнительных мощностях по разделению изотопов урана и совершенствование лазеров стимулируют детальный пересмотр всех методов разделения изотопов, включая фотохимические процессы. Обсуждение технико-экономических показателей новой лазерной технологии должно производиться с позиций хорошо известных достижений методов газовой диффузии и центрифугирования [6.12]. Эти процессы и нх характеристики обсуждались в этой книге ранее. Можно назвать четыре важнейших положения, сочетание которых в одном процессе необходимо для обеспечения его экономической приемлемости [c.255]

Изобретение лазеров в 1960 г. создало предпосылки для обращения к фотохимии как основе промышленных процессов. Высокая интенсивность, монохроматичность излучения и приемлемая эффективность лазеров явились основой для успешных лабораторных демонстраций химических реакций, инициированных лазерным излучением. В разд. 6.4 показано, что большое число таких химических превращений может быть использовано для разделения изотопов. При этом оказываются действенными как традиционная фотохимическая техника, так и некоторые новые методы, ставшие возможными лишь благодаря использованию лазеров. Раздел 6.3 посвящен применению лазеров для получения атомных ионов. [c.256]

Высокий коэффициент разделения может быть достигнут в одной стадии при использовании любого из указанных процессов. Дженсеном и др. [6.14] недавно была составлена таблица успешных экспериментов по лазерному разделению изотопов стабильных элементов (табл. 6.1). Обсудим некоторые характерные примеры из этой таблицы по обогащению изотопов с помощью лазеров. [c.256]

Узость спектральной линии — наиболее ценное для разделения изотопов тяжелых элементов свойство лазеров, поскольку в этом случае изотопический сдвиг обычно меньше ширины линии излучения традиционных источников света. [c.260]

Нет сомнений, что кроме приложений, связанных с разделением изотопов, лазеры в силу своих исключительных свойств могут быть использованы для совершенствования фотохимических процессов в химической промышленности. [c.260]

Быстрое развитие в последние годы исследований в области лазеров ИК- и ДИК-диапазонов спектра, несомненно, приведет к существенному увеличению масштабов использовапия этих лазеров, которые уже сейчас с успехом применяются в исследованиях лазерного разделения изотопов, плазмы, в различных вариантах метода спектроскопии двойных резонансов. Следует заметить, что сама генерация вынужденного ИК- и ДИК-излучения может быть эффективным методом изучения свойств колебательных н вращательных состояний, кинетики релаксационных пропессов в молекулах органических соединений, знание которых необходимо как для развития этой области квантовой электроники, так и для исследований, связанных с ИК-лазерной фотохимией и селективным воздействием лазерного излучения на вещество. [c.198]

Газовые центрифуги для разделения изотопов различных элементов, другие применения газовых центрифуг. В научных исследованиях, технике, медицине и самой атомной энергетике требуются подчас достаточно большие количества стабильных или радиоактивных изотопов, и высокая стоимость их получения подчас является преградой для повышения безопасности, мощности лазеров, использующих изотопы, улучшения диагностики и лечения. [c.193]

Как показывает практика многих приложений, развитие технологий разделения стабильных изотопов, приводит к увеличению спроса на различные изотопы. Помимо крайних изотопов кадмия (самого лёгкого и самого тяжёлого), предназначенных для исследования по физике слабого взаимодействия, существует потребность в изотопах кадмия для электрооптических приложений. В частности, чётные изотопы кадмия находят применение в He- d лазерах для повышения их спектральной светимости. [c.220]

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]

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]

Применение метода фотодиссоциации молекул мощными импульсами С02-лазера для разделения изотопов успешно разрабатывается во многих лабораториях разных стран. В частности, исследованы законы подобия [c.370]

Многоквантовое ИК-поглощение дает уникальный способ получения высокой степени внутреннего возбуждения молекул, обеспечивая новые экспериментальные методы для исследования мономолекулярной диссоциации. К тому же при ИКМКД продукты обычно образуются в основном электронном состоянии, что не всегда обеспечивается стандартной однофотонной диссоциацией под действием ультрафиолетового или видимого излучения. Продукты, образующиеся при ИКМКД, схожи с получаемыми при термической диссоциации или пиролизе, однако при этом нет необходимости нагревать весь образец до высоких температур. Этот метод привлек особое внимание теми возможностями, которые можно реализовать в изотопно-селективной химии. Во многих экспериментах показана решающая роль нескольких первых дискретных стадий поглощения во всей схеме возбуждения. Так как изотопный сдвиг в колебательных спектрах может быть относительно велик, то существует возможность селективно диссоциировать частицы, содержащие выбранный изотоп, настроив лазер на соответствующий переход v = l- v = 0. Двухчастотные эксперименты продемонстрировали, что маломощный, но имеющий узкую линию лазер может быть использован для прохождения первых уровней области I, тогда как мощный лазер, частота излучения которого часто несущественна, обеспечивает возбуждение молекулы в области И и последующую диссоциацию. Например, диссоциация UFe осуществляется накачкой полосы V3 (615 см- ) излучением маломощного лазера и использованием более мощного СОг-лазера, облучение которым само по себе не приводит к диссоциации. Потенциальные применения лазерных методов разделения изотопов очевидны они дополняют стандартные методы, представленные в разд. 8.10. [c.78]

В описанных методах лазерного разделения изотопов используют три различных типа лазеров с высокой частотой повторения импульсов, которые можно назвать базовыми для соответствующих методов разделения лазеры на красителях видимого диапазона, УФ эксимерные лазеры и ИК СОг-лазеры в сочетании с различными методами преобразования частоты. По мере того, как эти типы лазеров превращаются в высоконадёжные системы с уровнями средней мощности > 10 кВт и появляются новые лазеры, например, твердотельные лазеры с накачкой решётками лазерных диодов, растут возможности промышленного использования описанных методов лазерного разделения изотопов. [c.374]

Первые эксперименты по разделению изотопов методом двухфотонной диссоциации были проведены Р.В. Амбарцумяном, В.С. Летоховым и др. [15]. В опытах был применен импульсный лазер на СО2, возбуждающий колебательные состояния молекул №5Нз. Затем осуществлялась фотодиссоциация этих молекул ультрафиолетовым излучением искрового источника света, синхронизованного с излучением лазера. Участки спектра, которые могли бы вызвать диссоциацию молекул [c.179]

Если лазер настраивается на поглощение F l (A = 605,4 нм), то получаемый дихлорэтен будет обогащен по хлору С1 примерно в 20 раз по сравнению с природным содержанием изотопа. Основным стимулом для разработки методов лазерного разделения изотопов послужила потребность в уране для [c.287]

Внеш. магн. поле влияет на выход продуктов р-ции, скорость элементарных процессов взаимод. парамагнитных частиц (рекомбинации радикалов, аннигиляции триплетно-возбужденных молекул, тушения триплетных молекул радикалами и т.п.), интенсивность флуоресценции и хеми-люминесценции, темновую и фотопроводимость мол. кристаллов и орг. полупроводников. Магн. изотопный эффект сопровождается разделением магн. и немагн. изотопов (напр., С и С, о и О). Хим. поляризация электронов и ядер проявляется в спектрах ЭПР и ЯМР продуктов р-ций (радикалов и молекул), при этом положит, поляризация приводит к аномально сильным линиям поглощения, а отрицательная-к линиям эмиссии. В последнем случае создается инверсная населенность зеемановских уровней электронов или ядер (см. Зеемана эффект. Лазер). Когда химически индуцированная отрицат. поляризация ядер достигает значит, величины, превосходящей порог генерации, происходит самовозбуждение радиочастотного излучения и хим. система становится мол. квантовым генератором-хим. радиочастотным мазером. Внеш. высокочастотное резонансное поле стимулирует изменение спина и, следовательно, выхода продукта р-ции или интенсивности люминесценции. Это позволяет регистрировать спектры ЭПР короткоживущих пар парамагнитных частиц по изменению выхода электронов, дырок, возбужденных молекул. На этом принципе основан новый метод магн. резонанса-двойной магн. резонанс (ДМР). [c.624]

Рассмотрим, например, использование лазерного излучения в роли селективной бунзеневской горелки для разделения изотопов. Механизм ее действия основан на том, что изотопы различаются частотой колебаний в исходных молекулах. Обычно применяют лазер на основе фтороводорода. Если в такую горелку поместить смесь обычного метанола СН3ОН и дейтерированного метанола СОзОО в соотношении 1 1, то их нагревание происходит неравномерно. При введении брома обычный метанол сразу же реагирует, а дейтерированный вступает в реакцию значительно медленней. При мощности лазерного излучения 90 Вт/мии удается отделить 957о дейтерированного метанола. Под действием лазерного луча происходит газовый разряд, который приводит к образованию оксида азота (И) N0. Другими примерами применения лазера для инициирования различных процессов служат цепные реакции и реакции образования ацетилена. [c.103]

Обогащение дейтерия и изотопа выполнено при селективном фотолизе формальдегида. Молекула НзСО удачна для фотохимии тем, что ее предиссоциационный переход из верхнего возбужденного состояния имеет значительное время жизни, что обусловливает малую ширину линии возбуждения, много меньшую, чем изотопический сдвиг между соответствующими уровнями. Используя такие оптические разрешенные линии, можно селективно облучать молекулы и переводить соответствующие изотопы в продукты фотолиза СО и Нз. Физическое отделение продуктов фотолиза от формальдегида не представляет сложностей. Процесс молекулярной предиссоциации в лазерном разделении изотопов примечателен тем, что в нем селективность и энергию, необходимую для диссоциации, можно обеспечить в одной ступени одним лазером. [c.256]

Сообщения об успешных экспериментах продолжают регулярно появляться в печати. Недавние работы ио разделению изотопов кислорода с помощью отфильтрованного излучения АгР-лазсра [6,18] и изотопов тяжелого металла — молибдена путем интенсивного фотолиза с помощью ИК-лазера [().19] — не единственные тому примеры. [c.258]

Поскольку генерация происходит при переходе со связанного терма на отталкнвательный, то возможна небольшая перестройка длины волны излучения. Так, измеренный диапазон перестройки для АгР-лазера составляет 600 см , а для КгР-лазера — около 350 см . УФ-диапазон генерации, высокая энергетическая эффективность таких лазеров (до 5%) ч возможность небольшой перестройки длины волны излучения делают эти лазеры незаменимым инструментом в программах разработки лазерных методов разделения изотопов. [c.262]

Хотя химические свойства молекул, содержащих различные изотопы разделяемого элемента, практически одинаковы, тем не менее возбуждение молекул может привести к заметным изменениям их химических свойств. Существует большое разнообразие схем, пригодных для разделения изотопов урана, основанных на селективном действии лазерного излучения. Использование в фотохимических процессах лазеров принесло с собой новые приемы и методы, которые дополнили обширный экспериментальный и теоретический материал, накопленный при работе с традиционными источниками. Различают два основных направления протекания фотохимических реакций при лазерном воздействии на молекулы. Одно из них — фотодиссоциация, происходящая, если изолированная молекула поглощает достаточное для разрыва химической связи количество лазерной энергии в фотодиссоциации участвует только та молекула, которая поглощает лазерное излучение. Второе направление может быть названо лазерным стимулированием химических реакций с участием двух молекул, когда молекула, поглотившая лазерную энергию, вступает в химические реакции с другими молекулами. Для всех химических процессов характерна конкуренция между равновесным и неравновесным направлениями протекания химический реакций. Поэтому подходящими для разделения нзотопов можно назвать такие процессы, ири которых необратимые химические изменения наступали бы с возможно большей скоростью. [c.267]

Детальные требования к характеристикам используемых лазеров могут быть сформулированы лишь после того, как выбран сам процесс лазерного разделения изотопов. Остановимся только на некоторых моментах, имеюших общий характер. [c.273]

Если проводимый процесс однофотониый, как, например, пре-диссоциация или бимолекулярные химические реакции, то можно использовать любой подходящий лазер импульсного и непрерывного действия. Для миогоквантовых процессов диссоциации необходимы только импульсные лазеры. По своей природе лазеры являются существенно неравновесными устройствами, и подавляющее их большинство имеет импульсный режим работы. Это оказывается вполне достаточным для лазерного разделения изотопов. Частота следования импульсов лазера обычно определяется из условий полной смены исходного газа за время между импульсами. [c.273]

Характерные цены на лазеры в зависимости от мощности лазеров приведены на рис. 6.10. Видно, что предпочтительнее строительство лазеров с большой выходной мощностью, чем нескольких меньших приборов той же суммарной мощности. Системы сбора и перегрузки продукта в целом более сложны, чем на газодиффузионных и центробежных заводах. Их устройство и цена могут в значительной мере зависеть от выбранного для ЛРИ-процесса. Межкаскадное оборудоваиие, предназначенное для перевода ураиа из химического соединения, образующегося на выходе ЛРИ-процесса, в молекулярную форму исходного рабочего вещества— питания следующей ступени, мо кет быть само по себе дорогим. Такие затраты, связанные с переводом урана из одной молекулярной формы в другую, ие характерны для традиционных методов разделения изотопов урана. Они составляют новую статью расходов, которая может оказать существенное влияние на промышленную конкурентоспособиость ЛРИ урана в атом1Юм и молекулярном вариантах. [c.275]

Фотохимические методы развиваются преимущественно с ориентацией на разделение изотопов одного элемента в препаративных и технологических целях. В качестве источника монохроматического электромагнитного излучения обычно используют лазеры. В этом случае относительная сложность процесса разделения компенсируется уникальной селективностью метода, определяемой малой спектральной шириной лазерного излучения. Для эффективного разделения необходимо, чтобы в спектре поглощения выбранного газообразного соединения или паров элемента наблюдался изотопный сдвиг, т.е. различие положений линий в спектрах отдельных изотопов. С максимальной точностью также должна совпадать длина волны лазерного излучения и длина волны, соответствующая энергии перехода из основного в возбужденное состояние одного из изотопов. Дополнительным обязательным условием является необратимое превращение исходного соединения изотопа в новую химическую форму в результате индуцированной фотохимической реакции или достаточное время жизни изотона, возникшего в результате фотовозбуждения, следствием чего может бытьреализован процесс последующего выделения изотопа под действием электрического поля. [c.246]

Радиочастотное возбуждение рассматривается как альтернатива лазерному возбуждению в оптической области спектра. Но пока еще недостаточно опубликованных данных, чтобы делать обоснованные выводы об относительных преимуществах того или иного способа возбуждения. Большинство предложенных схем фотохимического разделения по-прежнему основывается на использовании лазеров [141]. Главное внимание уделяется проблеме разделения изотопов урана. Сложности при практической реатизации метода возникают при выборе газообразной химической формы разделяемых изотопов с приемлемыми спектральными характеристиками и соответствующих лазеров. Обсуждаются различные варианты использования летучих молекулярных соединений гексафторида урана, его Р-дикетонатов и атомного пара. Несмотря на большие энергозатраты на испарение металла, пока предпочтение отдается лазерному разделению изотопов в парах металлического урана. При переходе к разделению изотопов других элементов проблема упрощается пропорционально многовариантности выбора летучих соединений и увеличению изотопного сдвига в спектрах поглощения с уменьшением изотопных масс [139]. [c.247]

Принципиальная схема установки для атомного метода разделения изотопов урана, разработанная в Ли-верморской лаборатории им. Лоуренса, приведена на рис. 12.3.3. Установка состоит из трех частей лазерной системы, настроенной на частоту селективного возбуждения системы усиления лазерного луча системы разделения ионизованного Используются два лазера первый (на парах меди, мощностью 150 Вт) приводит в действие второй (на красителях), генерирующий свет с необходимой для процесса длиной волны. [c.247]

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 H l [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]

Первый эксперимент по разделению изотопов методом ИК-УФ двухступенчатой селективной фотодиссоциации был выполнен в 1972 г. [36] с молекулами и которые во-первых, можно изотонически возбуждать излучением СОг-лазера и для которых, во-вторых, хорошо изучены спектры поглощения в ИК и УФ областях и фотохимическое разложение. В первых экспериментах в 1972 г. с молекулами и коэффициент разделения изменялся в диапазоне 2,5 -ь 6 [36]. Этот эксперимент позволил доказать принципиальную осуществимость лазерного разделения изотопов методом фотодиссоциации, выявить потенциальные преимущества и ограничения этого метода [ 11 ]. [c.366]

На рис. 8.1.8 приведены также положения частот импульсов С02-лазера в случаях двух-, трёх-и четырёхчастотного (11 ь Г 2 ь 122, з 1, 2, 3, 4 соответственно) возбуждения и диссоциации на спектре линейного ИК поглощения этой молекулы. Необходимость последовательного сдвига в низкочастотную область частот последующих лазерных импульсов связана с ангармоническим сдвигом частоты поглощения колебательно-возбуждённых молекул (см. рис. 8.1.7). При фотодиссоциации многоатомной молекулы многочастотным лазерным излучением с правильно подобранными частотами можно добиться очень высокого выхода фотодиссоциации за импульс (50- 60%) и коэффициента разделения изотопов (а 100) при очень умеренных требованиях к потоку энергии возбуждающего импульса (0,1 0,2 Дж/см2). [c.370]

Полученные результаты могут быть использованы при создании разделительного процесса, основанного на эффекте изотопически-селективной диссоциации молекул ИК излучением, и для других изотопов. В частности, большой интерес представляет метод ИК фотодиссоциации для разработки процессов разделения изотопов водорода, дейтерия и трития. В этом случае необходимо извлекать НОО из Н2О или ВТО из ВгО не из газовой, а из жидкой фазы. Для того, чтобы избежать энергетически совершенно невыгодного испарения воды и синтеза дейтерий- или тритийсодержащих многоатомных молекул, которые можно диссоциировать ИК излучением, предложено использовать метод изотопного обмена [45]. Схема лазерного разделения изотопов методом фотодиссоциации с использованием изотопного обмена показана на рис. 8.1.9. Специально подобранное оптимальное молекулярное соединение РН, содержащее водород и имеющее требуемые для изотопиче-ски-селективной фотодиссоциации параметры, пропускается через лазерную разделительную ячейку, где происходит облучение газа. Частота излучения лазера выбирается, чтобы происходила селективная диссоциация молекул КО или КТ с требуемым коэффициентом селективности. [c.371]