Brevet FR2530966A1 — publié le 19840203

"Procédé et dispositif pour la séparation d'isotopes ra- res du soufre au moyen de rayons lasero O L'invention concerne un procédé et un dispo- isitif pour la séparation d'isotopes rares du soufre par dissociation, spécifique pour les isotcp 3 s, d'hexafluorure de soufre gazeux, à l'aide de deux lasers à rayons infra- rouges. Pour le marquage de groupes de molécules or- ganiques, au cours d'examens bio-médicaux, l'isotope 33 du soufre est nécessaire. En raison de son excès très élevé en neutrons 9 l'isotope 36 du soufre trouve une application dans les expériences de physique nucléaire O Comme ces isotopes ne sont contenus dans les gisements de soufre naturel, qutà raison de 0,76 et 0,015 %. leur séparation par des procédés classiques est extrême- ment coûteuse. Si l'on soumet de lhexafluorure de soufre ( 56) gazeux, à un rayonnement infrarouge intense, d'une longueur d'onde d'en-viron,= 10, le gaz se dissocie avec dégagement d'atomes de fluor 9 en tétrafluorure de soufre (SP 4) qui est un composé stableo Si l'opération se déroule sous pression réduite et avec de courtes et in- tenses pulsions de laser, la dissociation peut provoquer la séparation préférentielle d'une sorte d'isotope Selon ce procédé, on a pu déjà obtenir des quantités mesurables 2.- de soufre 32 pur du point de vue isotopique 13 e On utilise ici pour la dissociation un laser au C 02 à la pression atmosphérique (laser TEA) qui fonctionne sur la ligne P ( 20) de la transition 001 100 Cette ligne dtémis- sion recouvre la bande d'absorption de l'oscillation 3 dans la molécule 32 SF 6 On devrait s'attendre en principe à ce que l'isotope 53 du soufre puisse être séparé par le même procédé, lorsque la ligne d'émission du laser recou- vre la bande d'absorption correspondante de la molécule 33 SP 6 Or l'expérience montre qu'en ce cas, on ne sépare pas seulement l'isotope attendu, mais aussi dans une gran- de mesure, l'isotope 32 du soufre 23 beaucoup plus fréquent Alssi, ce procédé ne permet-il d'obtenir la pu- reté isotopique nécessaire qu'après plusieurs répétitions de l'opération. Danis la molécule de tétraoxyde d'osmium ( 0504) qui ne présente queun faible décalage isotopique, on a pu améliorer la sélectivité des isotopes en utilisant pour la dissociation, deux lasers à rayons infrarouges de fréquences différentes 33 e La transposition de ce procédé à la séparation d'isotopes du soufre dans 56 ', en utilisant deux lasers TEA au C 02, nea apporté qu'une amé- lioration insignifiante par rapport au procédé avec le laser TEA au C 02 43 Outre la sélectivité insuffisante, il faut également compter, dans le cas de l'isotope 36 du soufre, avec cette difficulté supplémentaire que la bande d'absorp- tion de la molécule de 36 SF 6 est située à l'extérieur de la zone d'émission du laser au C 02. Enfin, la faible concentration de l'isotope en question conduit à une autre difficulté D'une part, la dissociation nécessite un flux de laser de 5 à 10 J/cm 2 Ceci ne peut être obtenu avec un coût raisonnable que dans un rayon laser focalisé; ce qui implique une zone d'inter- action courte D'autre part, avec la faible concentration 3.- de l'isotope concerné et la faible pression nécessaire pour le procédé, le rayonnement laser ne sera que faible- ment absorbé C'est pourquoi il a fallu des zones d'inter- action de plusieurs centaines de mètres, pour l'exploita- tion efficace des photons de laser. En raison des problèmes mentionnés, la trans- position des procédés utilisés pour le soufre '32, à la sé- paration des isotopes rares du soufre, n'est pas possible. L'invention a pour objet d'atteindre une sé- lectivité élevée dans la séparation des isotopes rares du soufre, à partir d'un mélange gazeux d'isotopes de lthexa- fluorure de soufre, au moyen de rayons laser. Acet effet, l'invention propose un procédé caractérisé en ce que le gaz refroidi à 150 K est d'abord irradié par un laser à impulsions dont la longueur d'onde -est continuellement modifiable, qui est ajusté à une réso- nance aigae dans la zone de la branche Q des oscillations VO 3 de l'isotope considéré, et qui présente, dans la 3, a zone d'interaction, une intensité de 2-3 MW/cm 2, après quoi le gaz est soumis aux radiations d'un second laser, dont l'émission est décalée par rapport à celle du premier laser de 4 6 cm'1 vers les ondes longues et dont le flux dans la zone d'interaction se monte à 3-6 J/cm 2. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, l'in- vention propose des dispositions avec deux lasers aux IR, une cuve de circulation comme chambre de réaction, dans laquelle les radiations des lasers aux IR sont conduites et focalisées, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend deux miroirs sphériques disposés face à face dans la cuve de circulation, comportant chacun, en son centre, un ori- fice par lequel le mélange gazeux à irradier afflue dans la zone d'interaction de la cuve de circulation, cette cu- ve comprenant un orifice d'aspiration pour permettre l'éva- cuation par pompage du mélange gazeux irradié et des pro- duits de la réaction, cet orifice étant disposé dans la 4.- cuve de circulation au centre de la zone d'interaction, en- tre les deux miroirs. L'invention permet d'obtenir les isotopes rares du soufre qui sont nécessaires en médecine et en physique nucléaire, comme mentionné plus haut, avec un coût économiquement raisonnable. L'invention sera mieux comprise en regard des dessins annexés dans lesquels, les figures représen- tent: figure 1: une vue schématique d'un appa- reil selon l'invention, figure 2: un des deux miroirs sphériques avec le disque canalisant le flux monté devant, vu en di- rection de la flèche "A" de la figure 1 l Les rayons d'un laser 1 au C 02 à haute pres- sion et d'un laser 2 au 002 à pression atmosphérique (la- ser TEA au 002) sont réunis à l'aide d'un prisme 3, de façon colinéaire, et ils se concentrent en traversant la lentille 4, dans la cuve de circulation 5 servant de cham- bre de réaction, dans la zone réactionnelle. Le rayonnement traverse une fenêtre 23 fron- tale et pénètre dans la cuve de circulation 5 par un ori- fice 24 pratiqué sur la périphérie d'un miroir sphérique 6. Le rayonnement divergent après le foyer est réfléchi nar un miroir sphérique 7, placé sur la face frontale opposée de la cuve de circulation 5, vers le miroir 6, et ainsi- il est à nouveau focalisé dans la zone réactionnelle entre les deux miroirs Le nouveau foyer est décalé dans l'espa- ce par rapport au premier Par un choix approprié des para- mètres du miroir et un ajustement approprié, la réflexion et les focalisations décalées dans l'espace les unes par rapport aux autres, sont reproduites plusieurs fois dans la zone réactionnelle entre les deux miroirs 6 et 7 Avec des miroirs métalliques en cuivre, on réalise une focali- sation multipliée par 50, sans que se produise une perte 5.- de réflexion trop importante On opère, dans la cuve de circulation 5, avec un mélange de 86 et de H 2-gaz avec un rapport volumique de 5 D I sous une pression p = O 01 0,2 mbar et à une température T = 150 Ko La longueur d'onde du laser 1 au CO 2 à haute pression est réglable de manière connue en soi dans la zone de 9,1 10,8 /J d'une façon continue, Pour la sépa- ration de l'isotope 33 du soufre, on établit une longueur d'onde 7 = 10644/t@i 93995 cm 10 o Elle recouvre ainsi la branche Q nettement marquée de la transitiono les impulsions d'émission ont une durée de 3 "= 50 ns et une énergie de 50 100 m Jo Au moyen d'une unité de commande électronique 89 le laser TEA 2 est dé- clenché de façon que son émission s&effectue environ 20 ns après celle du premier laser, Le laser 2 est réglé sur la ligne P ( 30) de la transition 001-100 Son énergie d'im- pulsion est deenviron 5 J O Sous leffet du rayonnement la- ser, une partie des molécules SP 6 se dissodie en SP 4 et en atomes de P Les atomes de F réagissent aveclthydrogène pour former de l'acide fluorhydrique (E)o A laide d'un compresseur 9, le mélange de SF 61 H 2, SF 4 et HF est com- primé en passant par une vanne 10 avec Na OH + H 20 o Le 335 concentré dans le SP 4 se combine ici sous forme de sulfite dans la solution aqueuse, suivant la réaction t SP 4 + 2 H + 4 P Le HEF contenu dans le mélange gazeux réagit également avec l'alcalis tandis que SP 6 et 2 ne se lient pas Ce mélange gazeux est au contraire comprimé dans le vase tampon 11 et enfin, il est reconduit par la vanne ré- ductrice 12 dans la cuve de circulation 5 o Après une cer- taine durée de fonctionnement, le SP 6 gazeux appauvri est évacué par les vannes 13 et 149 et par la vanne 15, il est amené du gaz frais avec la concentration naturelle en isotopes. Il est apparu, queavec cette stimulation avec 6.- un laser à haute pression ajustable en continu et un laser C 2 TE As on obtient, non seulement une sélectivité iso- topique considérablement plus élevée, mais aussi un rende- ment supérieur à ce qu'on obtenait dans les procédés anté- rieurs Pour la première étape de stimulation, c'est l'in- tensité (W/cm 2) qui a une influence décisive, alors que, dans la deuxième étape, c'est le flux (J/cm 2) qui a cette influence Conformément à l'invention, on choisit les di- mentions du dispositif de miroirs dans la cuvette de cir- culation 5 de sorte que par la focalisation, on atteigne une intensité de 2-3 MI/cm 2 ou un flux de 5-6 J/cm 2 dans la zone d'interaction entre les miroirs 6, 7. L'utilisation d'un dispositif de miroirs à focalisations multiples représente un perfectionnement im- portant Comme la focalisation peut être répétée jusqu'à foisq le volume d'int-eraction seaggrandit du même fac- teur par rapport à la focalisation simple, et il en va de même pour la réaction par impulsion laser Le codt de la séparation est réduite en conséquence, car le codt des photons représente le facteur décisif dans le codt global du procédé. Pour l'efficacité du dispositif de miroirs à réflexions multiples, une réflectivité élevée de la sur- face des miroirs est nécessaire Comme, dans la chambre de réaction, par suite de la photo-dissociation à sélectivité isotopique de SF 69 il se forme des composés HF et SF 4 qui ont tendance à réagir, il faut veiller à ce que ces pro- duits ne se trouvent pas, autant que possible, dans le champ des miroirs A cet-effet, le mélange gazeux non ir- radié est introduit dans la chambre réactionnelle par les orifices 20 des centres des miroirs, et le gaz irradié est évacué par pompage par un orifice daspiration 21 de la cuve de circulation 59 au centre de la zone d'interaction entre les deux miroirs 6 7 o Par suite de l'écartement des disques 22 qui canalisent le flux adjoints aux miroirsp 7.- le courant gazeux sortant par le centre des miroirs est devié vers la périphérie, de façon telle qu'il prenne une direction parallèle à la surface des miroirs, Les disques de guidage 22 sont, comme le montre schématiquement la figure 2, fixés de façon concentrique par rapport aux mi- roirs 6, 7, Leur diamètre est choisi de façon que les rayons ( 25) de lumière laser réfléchis, disposés sur un cercle ne Soient pas recouvertso Comme le flux du faisceau de laser dans cette zone est nettement plus faible que dans la zone d'interaction, on neobtient pas ici de produit réactionnel. Le procédé décrit d'après l'exemple de la séparation de 338 peut étre transposé pour la séparation de l'isotope 36 du soufre La bande d'absorption correspon- dante présente alors son maximum à \ = 10,936 / ( 914,43 cm-1) et de ce fait, elle se trouve à l'exté- rieur de la zone d'émission des lasers 002 TEA actuels, Bien qu'on puisse obtenir lémission dans cette zone lors- que le laser fonctionne avec la combinaison d'isotopes ra- res 1301802 e le coût d'exploitation est alors tellement élevé que la séparation de l'isotope 36 du soufre n'est pas économique Par diffusion Raman stimulée dans le denté- rium gazeux, la longueur d'onde du rayonnement laser peut être déplacée de 179,04 cm-1 vers le domaine des ondes longues. Selon l'invention pour la séparation de l'isotope 36 du soufre, le rayonnement des lasers 1 et 2 est modifié, à l'aide du déplacement par effet Raman men- tionné, de façon que leur longueur d'onde se trouve dépla- cée vers la zone des ondes longues, avant qu'ils n'entrent en interaction avec le gaz SP 6 Le laser à haute pression -002 1 fonctionne ici avec la longueur d'onde 1 = 9,145 tandis que le laser C 02 TEA 2 est réglé sur la ligne R ( 38) de la transition 001-020 Malgré la faible concen- tration de sortie, ce dispositif permet de réaliser une sé- paration efficace du soufre 36. 8.- REVENDICATIONS 1. Procédé pour la séparation des isotopes rares du soufre, par dissociation, spécifique pour les iso- topes, de l'hexafluorure de soufre gazeux, au moyen de deux lasers à rayons infrarouges, procédé caractérisé en ce que le gaz refroidi à 1500 K est d'abord irradié par un laser à impulsions, dont la longueur d'onde est continuel- lement modifiable, qui est ajusté à une résonance aig Lde dans la zone de la branche Q des oscillations V 3 de l'iso- tope considéré, et qui présente, dans la zone d'interaction, une intensité de 2-3 MI/cm 2, apres quoi le gaz est soumis aux radiations d'un second laser, dont l'émission est dé- -1 calée par rapport à celle du premier laser de 4-6 cm 1 vers les ondes longues et dont le flux dans la zone d'interac- tion se monte à 3-6 J/cm 2. 2. Procédé selon la revendication 1, appli- qué à la séparation de l'isotope 33 du soufre, caractérisé en ce que, comme premier laser, on utilise un laser au 02 à haute pression continuellement ajustable, qui est réglé à la longueur d'onde de 10,649 p, et comme second laser, un laser 002-TEA qui fonctionne sur la ligne P ( 30) de la transition 001-100. 3. Procédé selon la revendication 1, appli- qué à la séparation de l'isotope 36 du soufre, caractérisé en ce que, comme sources de radiations, on utilise un la- ser au 002 à haute pression avec une longueur d'onde de > 1 = 9,145/J et un laser 002 TEA émettant sur la li- gne R ( 38) de la transition 001 _ O i 0, dont la longueur d'on- de est modifiée par diffusion Reman dans le demtérium ga- zeux, de façon à se trouver dans la zone de dissociation spécifique des isotopes. 4. Procédé selon larevendication 1, carac- térisé en ce que les radiations des deux lasers sont con- duites de façon colinéaire dans un dispositif de miroirs sphériques, de fàçon telle que les rayons subissent des Localisations multiples dans le volume gazeux, et qu'ainsi l'on puisse maintenir des intensités élevées sur une dis- tance étendue. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du pro- cédé selon la revendication 4 comportant deux lasers aux IR ( 1,2)5 une cuve de circulation ( 5) comme chambre de réacs tion, dans laquelle les radiations des lasers aux IR ( 192) sont conduites et focalisées, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend deux miroirs sphériques ( 6 S 7) disposés face à face dans la cuve de circulation ( 5)q comportant chacun en son centre un orifice ( 20) par lequel le mélange gazeux à irradier afflue dans la zone duinteraction de la cuve de circulation ( 5) D cette cuve comprenant un orifice d'aspiration ( 21) pour permettre lîévacuation par pompage X 5 du mélange gazeux irradié et des produits de la réactions, cet orifice étant disposé dans la cuve de circulation ( 5) au centre de la zone d Vinteraction 9 entre les deux miroirs ( 6, 7). 6. Dispositif selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que devant les orifices centraux des mi- roirs ( 6, 7) et à une certaine distance de ceux-ci, se trouvent disposés des disques ( 22) qui canalisent le flux et qui dévient le mélange gazeux vers la périphérie des miroirs ( 6, 7)0 1 O.- Bl BLIOGRAPHIE ï, W Pu B W B Schmid Berichte der Bansengesellachaft 83 ( 1979) page 1184 2 Baronov, Velikhov -Kolomiishii,, Letokhov,, Nizler,, Pismenn-yi, Ryabov, Sov J Quant El 9 ( 5) (Mai 1979) page 621 33 A,-eabartsumyo-n mr zikov, Gorokov,, letokhov, 14 aharov,, Puretskijq Opt Lett 1 22 ( 1977) 43 Bag -atash-jili, Kolomiskij, Ryabov, Starodubtsev Sov. J Quant El 10 ( 5) (Mai 1980) pa,,,Ye 628