Поль разделение изотопов

Масс-спектральный метод. Сложные газовые смеси разделяют на составные части, подвергая их действию сильных электрических и магнитных полей. Разделение происходит в соответствии с атомными или молекулярными массами отдельных компонентов смеси. Метод применяют при исследовании смесей изотопов, смесей инертных газов или сложных смесей органических веществ. [c.34]

Во время второй мировой войны для количественного разделения изотопов урана при разработке атомных бомб в США использовали масс-спектрометры. После войны для этих целей стали применять более эффективные методы, и большую часть из 1100 огромных масс-спектрометров пришлось демонтировать, но некоторые из них сохранили, и с их помощью было получено по нескольку килограммов чрезвычайно чистых изотопов примерно сорока различных элементов. Теория, описывающая действие этих огромных масс-спектрометров, заключается в следующем. Частица с массой т и зарядом е в магнитном поле напряженностью Н движется со скоростью и по круговой траектории радиусом г, причем центробежная сила уравновешивается отклоняющей силой действия магнитного поля [c.60]

Изотопы обычных элементов имеют одинаковый атомный объем, и поэтому они должны различаться по плотности. Следовательно, для разделения изотопов можно использовать обычную диффузию газов и зависимость стационарной концентрации от высоты в поле силы тяжести или в поле центробежных сил (в центрифуге). В последнее время было показано, что эффективными являются методы разделения, основанные на диффузии, в сочетании с другими методами, наиример с электромагнитным разделением, перегонкой п ионным обменом. [c.214]

Изложите теорию распределения молекул в гравитационном ноле или в поле центрифуги и проведите приближенные расчеты для определения возможности разделения изотопов с атомными весами 100 и 101 при центрифугировании. [c.329]

Расход энергии, необходимый для нагрева газа, диссоциации, ионизации и компенсации потерь, в любом случае существенно влияет на стоимость плазменного разделения изотопов. Создание магнитного поля практически не будет связано с расходом энергии, если применить постоянные магниты или сверхпроводящие катушки. [c.277]

В частично ионизованной плазме разделение изотопов связано в основном с нейтральными частицами, так как они диффундируют быстрее ионов. Коэффициент диффузии нейтралов определяет разделительную мощность согласно (7.5). В этом случае зависимость OI7 S не ограничена определенным диапазоном напряженности магнитного поля. [c.283]

Приведенные выше данные показывают, что плазма, с которой мы имеем дело, на практике очень сложна, поэтому процесс разделения изотопов в разряде с полым катодом также сложен и в деталях еще непонятен. Можно отметить следующие факты. Угловая скорость не постоянна по радиусу, а имеет сильный шир. Ее радиальный профиль соответствует радиальному профилю плотности до радиуса г ,, который в зависимости от напряженности магнитного поля В равен 4—5 см. Для столк- [c.293]

Разделение изотопов в газовой центрифуге основано на том, что при термодинамическом равновесии в потенциальном поле центробежных сил устанавливается равновесное распределение молекул по Максвеллу— Больцману, существенно зависящее от молекулярной массы. Б равновесном состоянии концентрация легких молекул относительно выше вблизи оси, а концентрация тяжелых молекул — возле стенки ротора. Как и в методе газовой диффузии, исходная смесь изотопов для разделения в центрифуге должна быть газообразной (гексафторид урана). Метод газовых центрифуг называют также центробежным методом. [c.246]

Газовая центрифуга для разделения изотопов представлена на рис., 1У-13. Ротор центрифуги изготовлен из прочного алюминиевого сплава. Вал ротора полый, что позволяет подавать через него газ. Ротор вращается электродвигателем мощностью 2,1 кет при л=60 000 об/мин. Наружный диаметр ротора равен 150 мм, толщина его стенки 8 мм, длина 7(Ю мм. Центрифуга испытана при разделении изотопов ксенона, криптона, селена и урана. Установлено, что высокой, степени разделения можно добиться, если в качестве питания одновременно подавать в центрифугу Смесь изотопов И водород. Присутствие водорода, имеющего [c.339]

Признание факта существования изотопов стабильных элементов и выяснение загадки целочисленности атомных весов изотопов стимулировало развитие техники разделения изотопов. Прежде всего, оно было связано с усовершенствованием масс-спектрометров, основанных на комбинировании электрических и магнитных полей по методу Астона или применении постоянных магнитов по схеме Демпстера, и увеличении их разрешающей силы. Если первый спектрограф Астона имел разрешение на уровне 1/1000, а второй — до 1/10000, то к концу 20-х годов масс-спектрометры достигают разрешения 1/100000 и лучше [13], что позволяет открывать уже не только главные, наиболее распространённые, но и редкие изотопы элементов (детали см. в табл. 2.1). После этого основной технической проблемой становится получение подходящих источников пучков элементов (метод анодных лучей) и усовершенствование источников — в особенности, тяжёлых элементов с малой относительной разностью масс изотопов и высокой температурой плавления. Одним из важных физических результатов, достигнутых на улучшенных масс-спектрометрах, стало прямое доказательство соотношения Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии в ядерной реакции расщепления лития-7 [14], открытой в 1933 году Кокрофтом и Уолтоном. В результате систематических поисков изотопов к 1935 году исследование изотопного состава было проведено уже практически для всех стабильных элементов, кроме платины, золота, палладия и иридия, которые были вскоре изучены в основном Демпстером [15] и частично рядом других авторов (см. детали в табл. 2.1). В изучении изотопов стабильных элементов следует отметить роль Ф. Астона, которым было открыто 206 из общего числа 287 стабильных и долгоживущих изотопов. [c.40]

Несмотря на то, что первые лабораторные опыты Д. Бимса в 1936 г. по разделению изотопов в центробежном поле, подтвердившие теоретические соображения Линдеманна и Астона [1], проводились при разделении стабильных изотопов хлора [2], идея использования центрифуг для получения стабильных изотопов элементов не была практически реализована в течение почти 40 лет. Причина этого прежде всего в том, что создание работоспособной промышленной конструкции газовых центрифуг для разделения изотопов было ориентировано на разделение изотопов урана. Трудности создания такой конструкции центрифуг и технически более простая для реализации идея газодиффузионного разделения изотопов привели к тому, что только в 1953 г. в России появились первые образцы высокоскоростных центрифуг, пригодные для разделения изотопов урана. [c.155]

Принцип действия газовой центрифуги, основные соотношения. Центробежное поле сил вызывает частичное разделение компонентов газовой смеси вдоль радиуса ротора центрифуги. Гексафторид урана, используемый в качестве рабочего газа при разделении изотопов урана на газовых центрифугах, состоит практически только из смеси молекул и UF [c.170]

Опорные узлы, демпферы и электропривод роторов центрифуг. В отличие от большинства быстровращающихся изделий, например, роторов гироскопов, роторы газовых центрифуг для разделения изотопов могут вращаться на опорах, допускающих колебания оси вращения ротора по отношению к установочным осям деталей корпуса. Это упрощает конструкцию опор и снижает требования к балансировке, особенно для подкритических роторов. Если у ротора гироскопа подшипники жёстко закреплены на его оси, то у центрифуги опора может быть вынесена от нижней крышки на упругой игле [14], или ротор может быть подвешен в магнитном поле [15], что позволяет оси эллипсоида инерции ротора несколько отклоняться от осей [c.182]

В начале 40-х годов стала весьма актуальной проблема разделения изотопов урана. К этому времени принципы электромагнитного метода разделения изотопов были разработаны глубже, чем других, поэтому в США и СССР началась бурная подготовка к строительству (и, почти одновременно, и само строительство) именно электромагнитных сепараторов для разделения изотопов урана. Это дало сильный толчок для развития целого ряда разделов физики и техники. Токи ионных пучков в установках предстояло увеличить на 7-10 порядков величины по сравнению с масс-спектрометрами. Получить необходимые величины ионных токов можно было только из плазмы. Поэтому были предприняты обширные исследования по многим вопросам физики газового разряда и низкотемпературной плазмы. В итоге были созданы пригодные для промышленных масштабов разделения источники ионов на основе мощного дугового разряда в магнитном поле с накалённым катодом [4]. Для понимания процессов в сепарационных установках потребовалось значительное расширение знаний в области атомных столкновений, были нужны точные значения эффективных сечений ионизации, перезарядки, других процессов. Необходимы были исследования взаимодействия потоков ускоренных частиц с поверхностью катодного распыления, вторичной ионной и электронной эмиссии. [c.290]

В ионном пучке должны отсутствовать значительные силы кулоновского расталкивания воздействие собственного электрического поля пучка на ионы должно быть меньше, чем воздействие магнитного поля. Максимальную величину кулоновского электрического поля Е , удовлетворяющую этому требованию, оценим, приравняв кулоновское расширение пучка ионов одной массы величине дисперсии по массам 2 R — R ) = d = Дер AM/M. Здесь Rh, Rb — радиусы крайних (наружной и внутренней) траекторий для ионов массы М. Используя уравнение движения Mv /Rep = evH/с еЕ , можно найти допустимое кулоновское поле Ef. 0,5 АМ/М U/R). Для М 100 200 а.е.м., АМ = 1, [/ = 30 кВ, среднего радиуса Дер около 50 см получим допустимое Е 1+2 В/см, т.е. объёмный заряд в ионном пучке должен быть достаточно полно скомпенсирован. Это — одно из основных условий успешного разделения изотопов электромагнитным методом. [c.292]

Магнитные и спиновые эффекты могут найти применение в технологии. Магнитный изотопный эффект может найти применение для разделения изотопов, особый интерес представляет возможность разделения изотопов тяжелых элементов. Заслуживает всяческого внимания исследование влияния магнитных полей на химические реакции. Полученные в этой области результаты могут оказаться важными для магнитобиологии. Можно также отметить перспективы когерентного контроля химических реакций. [c.142]

Принципы масс-спектромет-рии были разработаны н усовершенствованы Астоном, Пиром, Бейнбриджем и др. Метод базируется на различной степени искривления в магнитном поле траекторий заряженных частиц различной массы. Принципы конструкции масс-спектрографа и примеры масс-спектров будут приведены в гл. 6. Здесь же кратко будут изложены принципы электромагнитного метода разделения изотопов. [c.44]

Электромиграцня ионов. В электрнч. поле изотопные моны в р-ре или расплаве пepevIeщaIoт я с разными скоростями и более подвижные концентрируются у соответствующего электрода. Для увеличения эффекта разделения создают постоянный противоток ионов противоположного знака. Напр., при разделении изотопных катионов в катодное пространство добавляют к-т>, содержащую тот же анион, что и исходная соль. Кол-во к-ты эквивалентно кол-ву разрядившихся на аноде анионов. Метод применяют для лаб. разделения изотопов щелочных, щел.-зем. элементов, Ае, С1, Вг [c.201]

Одно из главных достоинств центробежного метода — коэффициент разделения в этом процессе зависит от разности молекулярных масс двух изотопов, а не отношения АМ/М или АМ/М , как в некоторых других методах. Следовательно, он наиболее пригоден для разделения изотопов тяжелых элементов. Однако сооружение крупномасштабного завода для обогащения урана с использованием центробежного метода сопряжено с необходимостью решения множества новых и трудных задач, относящихся к машиностроению, технологии и экономике. В этой главе подобные проблемы не затрагиваются, а рассматриваются лишь теоретические вопросы газовой центрифуги. В разд. 4.1 кратко изложены основные понятия, касающиеся коэффициента разделения и. противоточного течения разд. 4.2 посвяшен гидродинамическому анализу, который проводят для определения поля скорости газа внутри ротора. В разд. 4.3 вычисленное поле скорости используют для анализа процесса разделения. Этот анализ позволяет определить иоле концентраций, устанавливающихся иод действием противоточной циркуляции газа и центробежной силы, ответственной за первичный эффект разделения. [c.180]

Анализ процесса разделения был развит в широко известных работах Бенедикта и Пигфорда [4.1с], Коэна [4.2], Шак-тера и др. [4.3], Грота [4.4], Пратта [4.5], Виллани [4.6], Эвери и Дэвиса [4.7]. Наиболее общепринятый подход состоит в разделении уравнений диффузии и гидродинамики и в приведении уравнения диффузии к виду, стандартному для уравнений дистилляционной колонны (или каскада для разделения изотопов). Далее расчеты разделения проводят в предположении, что три параметра подобия дистилляционной колонны высота единицы переноса, коэффициент массопереноса и величина восходящего (или нисходящего) потока — являются постоянными. Эффект разделения определяется значениями этих параметров, которые в свою очередь очень сильно зависят от гидродинамического профиля циркуляционного течения. Отмечая расхождения в результатах опз бликованных анализов течения и трз дность экспериментального исследования поля скоростей, Оландер в обзорной статье [c.185]

В лаборатории плазму обычно создают в электрическом поле, (Степень ионизации, которая может быть достигнута при термическом нагреве газа, недостаточно высока, хотя и можно получить высокоионизованную плазму низкой плотности и температуры при поверхностной ионизации). Взаимодействие приложенного электрического поля и газа, которое прн определенных условиях приводит к газовому разряду, в общем весьма сложно. Однако в отсутствие магнитного поля газовый разряд достаточно понятен и свойства плазмы могут быть рассчитаны. Более трудно получить надежную информацию о роли нейтральных частиц. Очевидно, что уровень работы в области плазменного разделения нзотопов прямо соответствует уровню понимания свойств плазмы. Разделение изотопов получено в газовых разрядах постоянного, переменного и импульсного токов. Разделение в нейтральном газе с использованием плазмы в качестве вспомогательной среды представляется более сложным подходом к решению задачи. Но поскольку нейтральные частицы всегда присутствуют в газовом разряде, подобные процессы могут происходить и в установках, рассчитанных на полностью ионизованную плазму. К настоящему времени большинство экспериментов выполнено на инертных газах. Исследовалась также урановая плазма была получена плазма высокой плотности в сильноточной дуге (урановую плазму низкой плотности можно получить путем поверхностной ионизации). [c.277]

Вращение плазмы вызывается силами Лореитца к=]ХВ, которые возникают при двух различных комбинациях компонент тока и магнитного поля А-ф = ,В, или кц, =/ б,. По отношению к разделению изотопов использование аксиального магнитного поля В,) кажется предпочтительнее вследствие лучшей аксиальной однородности и существования удерживающей силы прн этом типе поля. Здесь рассматривается только дуга в аксиальном магнитном поле цилиндрической, а точнее, конической формы с 1/(1 1, где [c.278]

Разряд с полым катодом, подобный использовавшемуся в Техническом университете Эйндховена, представляет собой дугу в магнитном поле, окруженную вакуумом (детальное описание можно найти в [7.28]). Дуга такогц типа была впервые создана Лю-сом [7.29]. Первоначально он также предполагал использовать враш,ение дуги для разделения изотопов. Газ (в данном случае [c.289]

Вследствие малости коэффициента разделения, достижимого непосредственно в илазме, основные усилия, связанные с разделением изотопов в разряде с полым катодом, были направлены на использование плазмы в качестве промежуточной среды, приводящей в движение нейтральный газ. Ожидалось, что таким иутем можно соединить высокую угловую скорость с относительно низкой температурой нейтрального газа. Предлагалось создавать вращающуюся плазму в форме полого цилиндра, заполненного нейтральным газом [7.35]. Продольное магнитное иоле должно быть достаточно сильным, чтобы уравновеьцивать давление нейтрального газа толщина плазменной оболочки должна быть больше длины свободного пробега нейтральных частиц в плазме. Измерения доплеровского сдвига спектральных линий в излучении внутренней области аргоновой дуги показали, что нейтральные атомы, действительно, могут достигать скорости ионов аргона. Однако большая их доля имеет температуру, равную температуре ионов. Очевидно, что взаимодействие плазмы с нейтралами определяется, главным образом, процессами перезарядки, которые, следовательно, играют важную роль и в разряде с полым катодом. [c.294]

Для разделения изотопов с малой относительной разницей в. массах (Дт /т,) плазму следует удерживать в очень однородно.м маггштно.м поле (ДВ/В<Дт,/т.). Поперечные размеры объема, в котором создается магнитное поле, должны превышать максимальный циклотронный радиус выделяемого изотопа. Кроме того, для компенсации объемного. заряда необходимо использовать ВЧ-обмотки специальной конструкции. [c.295]

Для разделения изотопов урана в магнитном поле 1 Тл при Г, = 10 эВ плотность плазмы от 10 до 10 - см" представляется прие.млемой. [c.295]

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]

Диапазон длин волн лазерного излучения, пригодного для селективного фотовозбуждения веществ в ионном, атомарном или молекулярном состоянии, охватывает области спектра от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной [139]. Кроме того, известны способы разделения изотопов при использовании различия в колебательновращательных спектрах радиочастотной области [140]. Радиочастотный вариант метода основан на известном явлении парамагнитного резонанса — избирательном поглощении электромагнитных волн парамагнитным веществом, находящемся в магнитном поле. Под действием магнитного поля уровни энергии молекул расщепляются на магнитные поду ровни (эффект Зеемана). При облучении молекул электромагнитным излучением радиочастотного диапазона с энергией, равной щагу магнитного расщепления для молекул с определенным изотопным составом, происходит резонансное поглощение излучения, вызывающее изменение их угловых моментов. При попадании далее смеси веществ в разделяющее магнитное поле наблюдается пространственное разделение молекул, соответствующих различным изотопам. Переход к более длинноволновому диапазону (радиочастотному и микроволновому) позволяет увеличить разрешающую способность благодаря большему различию в спектрах изотопов в этой области по сравнению с видимой или инфракрасной областями. [c.247]

Из опыта известно, что в термически неоднородной системе происходит диффузия частиц компонентов, даже если в исходном состоянии поля концентраций частиц были однородными. Это явление называется термодиффузией. Оно было открыто и достаточно подробно исследовано уже в XIX в. Примерно в тот же период было обнаружено обратное ему явление, а именно, нарушение термической однородности системы в ходе диффузии и возникновение потока тепла, сопровождающего диффузию. Оно получило название диффузионного термоэффекта или эффекта Дюфура. Термодиффузия нашла практическое применение для разделения изотопов. Перспективным считается ее использование в нефтехимии и биохимии для разделения и очистки сложных смесей органических соединений, а также при получении особо чистых веществ [71]. В работе [72] показано, что термодиффузия наблюдается лишь в неидеальных системах. На этом основано применение термодиффузионных данных для оценки степени отклонения многокомпонентных систем от идеальности, в частности, для вычисления избыточных термодинамических функций газовых смесей. С эффектом Дюфура приходится считаться при тепловых расчетах [69]. [c.293]

Для разделения изотопов часто применяют электромагнитный сепаратор. Если простые вещества или их соединения ввести в виде паров в ионизационную находящуюся под вакуумом камеру, то соединения диссоциируют, а незаряженные частицы ионизируются потоком электронов, испускаемым, например, раскаленной вольфрамовой или танталовой нитью. Полученные положительно заряженные ионы движутся ускоренно под действием разности потенциалов. Пройдя через щели в ускоряющих электродах, ионы направляются на ту сторону магнитного поля, где они вынуждены двигаться по круговой орбите. Радиус орбиты каждого иона пропорционален корню квадратному из его массы. Максимум разделения ионов различной массы дости-гаетс5 после того, как они пройдут 180 . В коллекторе сепаратора собираются отдельные фракции изотопов. [c.338]

A3. Wal her W., Масс-спектрометр с большим ионным током и разделение изотопов рубидия. (Изотопы собирались в графитовый цилиндр, который затем использовался в качестве полого катода разрядной трубки.) Z. Phys., 108, 376—390 (1938). [c.575]

А38. Wal her W., Влияние нространствениого заряда на фокусирующие свойства магнитных секторных полей. (Теория Герцога расширена путем учета влияния объемного заряда. Исходя из теории обсуждается конструкция масс-спектрометра о большой плотностью тока для разделения изотопов.) Z. Phys., 121, 719-728 (194.3). [c.577]

В послевоенные годы развитие масс-спектрометрии шло по пути создания цельнометаллических вакуумных систем с применением секторного анализирующего магнитного поля [Л. 8]. Масс-спектрометр нашел применение для контроля непрерывных процессов на заводах по диффузионному разделению изотопов урана [Л. 9], на нефтеперерабатывающих заводах [Л. 10 и 11], для непрерывного контроля дыхательных процессов Л. 12 и 13], разделения и накопления стабильных изотопов [Л. 14], определения мест утечек в вакуумных металлических системах [Л. 15 и 16] и для решения многих других задач Л. 17 и 18]. Весьма большое значение за последние 20 лет масс-опектрометрия приобрела в органической химии Л. 19]. [c.8]

Идея использования центробежного поля сил для разделения изотопов была высказана Линдеманном и Астоном в 1919 г. [1]. В 1934 г. Джесс Бимс из университета штата Вирджиния (США) разработал первую центрифугу для разделения изотопов. Двумя годами позже Бимс и Хайнс продемонстрировали [c.168]

Сопло Беккера. Различные кинетические методы решения задачи разделения изотопов можно классифицировать на методы, использующие разность коэффициентов переноса для молекул различных масс, и на методы, использующие движение разделяемой смеси в потенциальном поле. Наиболее характерным методом второго класса как раз и является метод газовой центрифуги, который, однако, требует даже для лабораторной демонстрации своих грандиозных возможностей весьма впечатляющих опытноконструкторских работ, в силу абсолютной инженерной нестандартности газовой центрифуги. Предложенный, предположительно Дираком, примерно в то же время, что и газоцентрифужный, метод разделительного сопла (сопла Беккера, по имени руководителя первых успешных экспериментальных работ) [c.194]

Во Франции в Orsay в середине 60-х годов было начато строительство электромагнитного сепаратора с коэффициентом спада магнитного поля в медианной плоскости п = 0,5 и полным углом разворота центральной траектории в магнитном поле ф = 135° [12]. Применена равноплечная схема с Al = Л2 = 1,26 при Го = 85 см. Межполюсной зазор на центральной траектории — около 15 см. Расчётная величина дисперсии равна Dm — I7OO7 мм, 2o i = 6°. После проведения коррекции магнитного поля показатель спада магнитного поля п оказался больше — 0,523, а измеренная величина дисперсии — Dm — 2ООО7 мм. На этом сепараторе были проведены разделения изотопов Rb, Хе, Hg и др. с высокой кратностью обогащения [12], см. табл. 7.1.3. [c.303]

Для повышения эффективности использования исходного веш,ества в процессе сепарации, что особенно актуально для разделения изотопов с использованием дорогостояш,их исходных веш,еств, в ИЯС РНЦ Курчатовский институт был разработан метод расчёта специальных ИОС с неоднородным магнитным полем, в которых одновременно могут фокусироваться [c.306]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология