Brevet FR2763866A1 — publié le 19981204

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SEPARATION ISOTOPIQUE PAR LASER DE L'ISOTOPE 210 DU PLOMB ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Dans son état non exploité naturel, le plomb contient un certain nombre d'isotopes, notamment l'isotope 210Pb. L'isotope 210Pb est radioactif avec une demi-vie d'environ 22 ans. Par conséquent, le "plomb artésien", qui date de plusieurs siècles, possède une concentration sensiblement inférieure de 210Pb par rapport au plomb naturel qui est relativement jeune. Les réserves mondiales de plomb artésien sont en cours de disparition et, malheureusement, la demande pour celui-ci augmente actuellement. Un grand nombre d'applications électroniques exigent du plomb (notamment pour les brasures) avec une concentration de 210 210Pb particulièrement faible. La radioactivité du Pb entraîne finalement des particules a qui provoquent des légères erreurs dans les circuits électroniques. De plus, l'industrie électronique évolue vers des densités plus élevées et des architectures tridimensionnelles. La sensibilité aux particules a augmente lorsque Qcrit, la tension, la taille diminuent et lorsque le nombre d'interconnexions et la densité augmentent, notamment dans le cas du C4 avec les technologies de liaison. La séparation isotopique par laser à vapeur atomique (AVLIS) a été démontrée sur un certain nombre d'éléments, notamment l'uranium, le gadolinium et d'autres éléments lanthanidiques. Par exemple, le Brevet US No. 5 202 005 (1993) de Paisner et al. décrit l'enrichissement isotopique du 157Gd par ionisation photoélectrique sélective. Cependant, afin de déterminer si le procédé AVLIS est techniquement praticable pour un élément en particulier, il faut tenir compte, de manière détaillée, d'un grand nombre de facteurs, notamment la trajectqire photoélectrique, la préparation spectroscopique du jet de vapeur d'alimentation et la collecte effective du produit non contaminé, soit par fines, soit par alimentation. L'évaluation définitive de l'applicabilité du procédé AVLIS implique une connaissance des déplacements isotopiques, des dédoublements hyperfins, des énergies et désignations d'états, des durées de vie d'états, et des rapports d'embranchement. Dans les cas où le procédé AVLIS est techniquement praticable, une évaluation économique s'ensuit pour déterminer la rentabilité de cette technique par rapport à la valeur du produit, par exemple. Ces analyses impliquent une connaissance de la trajectoire photoélectrique, une connaissance du nombre, des puissances, des fréquences et autres caractéristiques des lasers, ainsi qu'une connaissance des propriétés matérielles conduisant à la détermination des propriétés de la vapeur. Typiquement, les trajectoires photoélectriques exigent une puissance laser excessive et ne permettent pas d'obtenir un processus de séparation isotopique économiquement réalisable. L'examen attentif de l'adaptation des lasers existants aux transitions possibles constitue une considération d'ordre économique. Dans le cas du Pb par exemple, le composant hyperfin F=3/2 de l'isotope 207Pb constitue le voisin le 210 plus proche de l'isotope Pb et présente une abondance naturelle d'environ 23%. Le déplacement isotopique pour 210 20 une transition entre l'isotope Pb et l'isotope Pb est d'environ 1 GHz. La proximité de fréquence entre 210 l'isotope Pb et son voisin le proche a tendance à provoquer une diffusion Raman stimulée (SRS). Un problème connexe se pose dans la mesure où l'isotope 207Pb absorbe une quantité considérable de puissance 283 nm (doublée à 556 nm), dont la génération est coûteuse. Les deux problèmes sont importants du fait du faible déplacement isotopique et de la très faible abondance de l'isotope 210Pb, au maximum de l'ordre de parties par milliard. Dans le cas où elle serait développée, la séparation isotopique du plomb par laser produirait des réserves fiables, rentables et très importantes (de l'ordre d'une à dix tonnes par an). RESUME DE L'INVENTION Le présent document décrit un processus et un dispositif à laser isotopiquement sélectif pour retirer l'isotope Pb-210 du plomb naturel, impliquant une excitation quasi résonante à un photon, résonante à deux photons d'un ou plusieurs niveaux de Rydberg, suivie d'une ionisation de champ et d'une extraction électrostatique. La longueur d'onde pour l'état intermédiaire quasi résonant est contre-propagée par rapport à la deuxième longueur d'onde requise pour peupler l'état de Rydberg final. Ce dispositif exploite la grande section efficace du premier état excité et n'exige que des faibles fluences de laser. Le processus non résonant permet d'éliminer deux problèmes premièrement, le gain Raman stimulé résultant de la 20 proximité du composant hyperfin F=3/2 de l'isotope Pb et, deuxièmement, l'absorption directe de la lumière de 207 première transition par l'isotope Pb. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1A illustre un dispositif de séparation pour la purification du Pb ; les figures lA-lC illustrent trois moments déterminés dans le fonctionnement du dispositif de la figure 1A ; la figure 2 est une spécification de la trajectoire photosélective pour la séparation isotopique par laser à vapeur atomique (AVLIS) du Pb et la figure 3 illustre un système de séparation isotopique par laser à vapeur atomique (AVLIS) comportant un sous-système laser couplé optiquement à un sous-système séparateur. DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION PREFERE Un procédé et un dispositif pour séparer l'isotope 210 Pb d'un plomb naturel par ionisation sont décrits par la suite. La figure 3 illustre un système de séparation isotopique par laser à vapeur atomique (AVLIS) 300 comportant un sous-système laser 310 couplé optiquement à un sous-système séparateur 100. Le sous-système laser 310 comprend un premier et deuxième lasers de pompage 311, 312, un oscillateur maître à colorant 313 et un amplificateur à colorant 314. Le sous-système séparateur 100 comporte un vaporiseur 110, un collecteur d'ions 120 et un collecteur neutre 130. La figure 1A illustre le dispositif de séparation 100 pour la purification du Pb. Le dispositif 100 comporte une source multi-isotopes 110, un premier extracteur-collecteur 120 et un deuxième collecteur de produit 130. Le premier extracteur-collecteur 120 comprend un premier et deuxième collecteurs 120a et 120b disposés sur les faces opposées de la zone 140 (la zone 140 étant un espace, indiqué en gris). Les figures lA-lC illustrent trois moments déterminés dans le fonctionnement du dispositif 100. Au moment to, la source de Pb 110 produit un jet d'isotopes selon des processus connus dans la technique. Un atome (non-ionisé) est représenté par une flèche 150 indiquant la trajectoire de l'atome. Une fois que les isotopes ont pénétré dans la zone 210 140, un laser (non représenté) excite les isotopes Pb vers des états de Rydberg selon un processus décrit cidessous. L'extracteur-collecteur 120 est mis à la terre vers un état électriquement neutre ou de faible tension ( Au moment t1 (ici d'environ 1 Rsec après to) l'extracteur 120 est chargé négativement. L'attraction résultante entre l'extracteur-collecteur 120 et les atomes &commat; de Rydberg ionisés par effet de champ entraîne les atomes 210Pb vers et jusqu'à l'extracteur-collecteur 120. Le moment des atomes non-ionisés les porte vers et jusqu'au collecteur de produit 130 (neutre de préférence). Sur la figure 1B, les flèches en traits interrompus 160 représentent la trajectoire des ions &commat; et les flèches 150 représentent toujours les atomes non-ionisés et leurs trajectoires à travers le dispositif 100. A un moment ultérieur t2, tel que représenté sur 210 la figure 1C, le sous-produit Pb S , est amassé sur l'extracteur-collecteur 120 toujours chargé négativement, tandis que le Pb purifié restant s'est amassé sur le collecteur de produit 130 (une anode, non représentée, du dispositif 100 collecte les électrons libres de la zone 140). L'excitation par laser sélective des atomes 2l0Pb de la figure 1A est décrite ci-dessous. La figure 2 est une spécification de la trajectoire photosélective pour la séparation isotopique par laser à vapeur atomique (AVLIS) du Pb. La figure 2 illustre un processus à deux photons dans lequel un premier photon de fréquence k (jusqu'à 283 nm) excite un atome 2l0Pb de son état normal d'énergie (état 6s26p2) vers un état intermédiaire, l'état quasi résonant 201 proche de 35287 -1 Un deuxième photon de 2 (environ 412 nm) est contre-propagé par rapport à kl et excite l'atome vers l'état de Rydberg final à 59600 cl 1. Cet état de Rydberg final correspond à 6s26pnp, où n > 19. Bien que l'électron de l'atome ne soit pas réellement libre (c'est à dire que l'atome ne se trouve pas dans le continuum au-dessus du potentiel d'ionisation à 59819 cm1), l'atome est effectivement ionisé du fait de la couche élevée ( > 19) occupée par l'électron. Ce processus d'excitation par laser élimine les problèmes de diffusion Raman stimulée (SRS) et 207 d'absorption de lumière par l'isotope Pb. Il exploite la grande section efficace du premier état excité, entraînant partiellement le coefficient élevé de gain SRS. Le processus n'exige que des faibles fluences de laser, même pour des désaccords importants. Aucune population réelle n'est transférée vers le niveau intermédiaire quasi résonant. Le processus accorde la première étape hors résonance et compense le désaccord dans la deuxième étape. Le gain Raman stimulé provoqué par le composant 207 hyperfin F=3/2 de l'isotope Pb est maintenu au- dessous du seuil par le désaccord. Du fait que le coefficient de gain SRS diminue proportionnellement au carré du désaccord, cela supprime effectivement le gain SRS. Une transition résonante aurait comme résultat la déviation de la lumière du processus vers la transition Raman. Le caractère hors résonance du processus réduit également (et, dans un mode de réalisation, évite) l'émission spontanée amplifiée. Le processus à deux photons est résonant pour l'isotope 210Pb uniquement, et la première étape 207Pb est encore plus hors résonance. L'absorption directe de 207 la lumière de première transition par l'isotope Pb est minimisée du fait que celui-ci est structurellement 210 plus hors résonance que l'isotope Pb. Du fait que l'isotope 207Pb est hors résonance dans les deux étapes, l'absorption 207Pb est largement réduite. En particulier, seulement un (ici le premier) des deux lasers impliqués doit être modulé. Les deux couleurs du processus A1 et X2 sont contre-propagées l'une par rapport à l'autre afin d'exploiter la proximité de leurs fréquences. Cette proximité réduit la largeur Doppler pour deux photons. Du fait que la fluence par unité de largeur de bande constitue la figure de mérite importante, cette réduction de largeur réduit à son tour les exigences de fluence du laser et augmente la sélectivité. (Une faible source à effet Doppler 110 permet à la lumière des lasers d'être plus concentrée en espace fréquence tout en embrassant le profil Doppler de la valeur atomique, et facilite la séparation isotopique par laser pour les éléments avec des faibles déplacements isotopiques). Finalement, en évitant toute population signifiante de l'état intermédiaire quasi résonant, les difficultés pour peupler un niveau avec une courte durée de vie de 8 ns sont éliminées. La totalité de la population atomique se trouve soit dans l'état fondamental, soit dans l'état de Rydberg. Par conséquent, la séparation isotopique peut illuminer la vapeur de manière répétée, augmentant la purification isotopique efficace du plomb. La séparation soumet la vapeur atomique à des zones 140 multiples d'illumination séquentielle avant que le Pb non sélectionné s'amasse sur le collecteur neutre 130. La séparation augmente le débit et l'efficacité du système AVLIS tout en réduisant la puissance du laser et le nombre de traitements entre étapes requis. De plus, les injections à répétition du faisceau A1 (vis-à-vis du faisceau X2) diminuent l'élargissement de puissance et augmentent la sélectivité du système AVLIS 300. Selon un premier procédé pour détecter les concentrations de l'isotope 210Pb, activités alpha de 210 210 l'isotope 210po, un petit-fils de l'isotope Pb, sont mesurées. Le processus consiste à dissoudre un échantillon (par exemple, 1-10 g) de plomb, contenant 210 une quantité inconnue de Pb, et à ajouter une 209 quantité connue de Po. Le Po est retiré par 210 électrodéposition, et la quantité relative de Pb est déterminée. La limite de détection est supérieure à 0,001 a/cm2/h. Pour déduire la concentration de 210Pb, des mesures répétées pendant plusieurs mois sont requises afin de se rapprocher de l'équilibre séculaire. En option, des installations de comptage bêta peuvent être employées pour déterminer les 210 concentrations de Pb par comptage bêta de son fils 2'OBi Cette technique présente l'avantage que l'équilibre séculaire est atteint en environ un mois. Bien que la limite de détection actuelle pour cette technique ne soit pas aussi sensible que la technique alpha, elle est utile pour déduire des essais de produit à partir des quantités d'alimentation ou de sous-produit. Pour les systèmes AVLIS séparant des éléments avec une probabilité de réflexion considérable lorsque ceuxci heurtent une surface (par exemple, thallium et plomb), une structure de collimateur à surface élevée réduit le ramassage non-sélectif, augmente le débit du système et augmente la pureté du jet enrichi. LES REVENDICATIONS SONT LES SUIVANTES 1. Procédé pour sélectionner un isotope à partir de plomb présentant une pluralité d'isotopes, notamment ledit isotope, ledit procédé comprenant les étapes consistant à pomper des photons de deux fréquences différentes dans une vapeur dudit plomb ; et collecter ledit isotope. 2. Procédé selon larevendication 1, dans lequel ladite étape de pompage comprend l'application d'un photon d'une première fréquence k1 de jusqu'à 283 nm à ladite vapeur ; et l'application d'un photon d'une deuxième fréquence 2 d'environ 412 nm à ladite vapeur. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel ladite étape consistant à collecter ledit isotope comprend l'application d'un champ électrique à ladite vapeur. 4. Dispositif pour sélectionner des isotopes de plomb, ledit dispositif comprenant un premier laser produisant des photons à une fréquence de jusqu'à 283 nm ; un deuxième laser produisant des photons à une fréquence d'environ 412 nm ; et un système séparateur, couplé optiquement aux dits premier et deuxième lasers. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ledit système séparateur comprend un vaporiseur, générant ledit plomb ; un collecteur d'ions pour collecter une première partie dudit plomb ; et un collecteur neutre pour collecter une deuxième partie dudit plomb.