СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА
METHOD FOR LASER SEPARATION OF HYDROGEN ISOTOPES

Изобретение относится к молекулярной физике, а именно к области разделения изотопов водорода, и может быть использовано для выделения изотопа дейтерия D.
Известны химические способы разделения изотопов водорода [патент РФ 2201283, МПК B01D 59/04 от 21.11.2001], при котором два сырьевых потока из протия, трития и дейтерия перерабатываются в колоннах криогенной ректификации и блоках гомомолекулярного изотопного обмена. Недостатком этого способа является высокая стоимость процесса разделения.
Известны способы разделения изотопов водорода с помощью инфракрасной лазерной технологии в сочетании с химическими процессами. В частности, в патенте СА1103614 [МПК B01D59/34, С01В 4/00, С01В 5/02 от 1977-12-01] уксусная или муравьиная кислота, содержащие соединения дейтерированных и гидрогенизированных кислот, подвергаются облучению с длиной волны в инфракрасном спектре от 9,2 до 10,8 мкм, для получения гидроксида дейтерия и гидрида дейтерия соответственно. В патенте СА1085341 [МПК B01D 59/34, С01В 4/00, С01В 5/02, H01S 3/00 от 1976-07-19] дейтерий из природных источников выделяют с использованием настроенных инфракрасных лазеров, и молекулы, содержащие дейтерий, отделяются от исходного материала путем абсорбции, дистилляции или других химических методов.
-15
Методы лазерного разделения изотопов являются эффективными методами получения химических элементов определенного изотопического состава [Летохов B.C., Мур С.Б. Квантовая электроника, т.3, вып.3, 4, 1976], что связано с возможностью значительного изотопического обогащения за один цикл. Лазерные методы разделения изотопов основаны на селективном возбуждении лазерным излучением электронных или колебательных уровней атомов или молекул определенного изотопического состава. Метод избирательной стимуляции одного молекулярного компонента в смеси [WО 9712373, B01D 53/00, B01D 59/34, G01N 21/63 от 1997-04-03] предполагает переход обоих компонентов в первое возбужденное состояние при первом импульсе лазерного излучения и выборочный переход одного компонента во второе возбужденное состояние при втором импульсе лазерного излучения длительностью 10c. Время между двумя импульсами должно быть равно целому числу полупериодов резонансного периода выбранного компонента.
4
2
-10
-5
Известен способ [патент GB1473330, МПК B01D 59/34, B01J 19/12, G02B 27/00, H01S 3/00, H01S 3/094, H01S 3/22 от 23.10.1973] лазерного разделения изотопов, взятый за прототип, основанный на изотопически-селективном возбуждении молекул газовой фазы в процессе инфракрасного поглощения фотонов, который включает в себя следующие стадии: облучение молекул ПК-излучением с помощью ИК-лазера при интенсивности, по крайней мере, 10 Вт/см от 10 до 5×10c, причем молекулы, содержащие желаемый изотоп или изотопы, преимущественно возбуждены резонансным излучением и поглощают больше чем один квант ПК-излучения; преобразование возбужденных молекул в процессе облучения лазером оптического или УФ-диапазона для осуществления фотодиссоциации, в котором возбужденные молекулы могут быть отделены от невозбужденных.
Селективное колебательное возбуждение считается наиболее трудным методом [Летохов B.C., Мур С.Б., цит.соч., стр.253]. Это связано с тем, что, несмотря на простоту селективного колебательного возбуждения, затруднено дальнейшее выделение колебательно возбужденных молекул.
Задачей изобретения является устранение недостатков, присущих прототипу.
Технический результат заключается в повышении эффективности выделения изотопа водорода лазерным разделением.
13
2
Технический результат достигается тем, что в способе лазерного разделения изотопов водорода, включающем облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов согласно изобретению в качестве исходного газа используется хлористый водород (НСl), длина волны резонансного инфракрасного излучения 4,662 мкм, диапазон лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность превышает 10 Вт/см, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния DC1.
Предлагается использовать эффект антистоксова усиления туннельной ионизации молекул. Этот эффект, предложенный и описанный в работе [Komev A.S., Zon B.A. Phys. Rev. A 86, 043401 (2012)], состоит в значительном увеличении вероятности туннельного эффекта в лазерном поле для колебательно-возбужденных молекул. При туннельном эффекте в лазерном поле возможен неупругий процесс, когда часть энергии передается туннелирующему электрону от иных степеней свободы в атомах [Komev A.S. et al., Phys. Rev. A 68, 065403 (2003); 69, 065401 (2004); 79, 063405 (2009); 84, 053424 (2011); 85, 035402 (2012)] или молекулах [Komev A.S., Zon B.A., Phys. Rev. A 86, 043401 (2012)]. Для молекул такими иными степенями свободы могут являться колебательные степени свободы ядер атомов, образующих молекулу. Предварительное возбуждение ядерных колебаний позволяет в результате туннельного эффекта образовывать ионы с преимущественным содержанием определенных изотопов, поскольку нейтральные молекулы разного изотопического состава имеют различные частоты колебательных переходов.
+
+
2
i
i
На Фиг.1 показана зависимость отношения вероятности образования ионов DCF из возбужденного колебательного состояния (v=1) к вероятности образования ионов НСl из основного колебательного состояния {V=0) от интенсивности лазерного излучения I [Вт/см].
Газообразный хлористый водород, содержащий дейтерий (в природном водороде дейтерий составляет примерно 1,5%), облучается инфракрасным излучением с длиной волны 4,662 мкм для заселения первого колебательного состояния молекулы DC1. После этого на объем газа, подвергшийся облучению с указанной выше длиной волны, воздействуют лазерным излучением оптического или ИК-диапазона, причем интенсивность излучения I должна быть достаточно высокой, чтобы ионизация проходила вследствие туннельного эффекта, т.е. удовлетворять неравенству
<mrow><mi>I</mi><mo>></mo><mn>2</mn><msubsup><mi>α</mi><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msubsup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>α</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>E</mi><mi>α</mi></msub></mrow></mfrac><msub><mi>I</mi><mi>α</mi></msub></mrow>
,
0
α
e
-10
-18
16
-2
20
-2
-3
где E - потенциал ионизации молекулы; λ - длина волны ионизирующего излучения; α=0,529 Ǻ =0,529×10 м - атомная единица длины (боровский радиус); Еα=27,2 эВ =4,36×10 Дж - атомная единица энергии; I=3,51×10 Вт см=3,51×10Втм- атомная единица интенсивности; α=7,23×10 - постоянная тонкой структуры.
13
2
13
2
Для молекулы хлористого водорода НСl и ее изотопической модификации DC1 эта интенсивность должна превышать 4×10 Вт/см при длине волны ионизирующего излучения 1,3 мкм или 1,6×10Вт/см при длине волны ионизирующего излучения 2,0 мкм. Интервал времени между облучением резонансным инфракрасным излучением и мощным лазерным излучением не должен превышать времени жизни колебательного состояния, зависящего от давления и температуры газа. Вследствие туннельного эффекта преимущественно ионизуются колебательно-возбужденные молекулы, то есть молекулы DC1. Далее путем экстракции положительных ионов получают хлористый водород с повышенным, по сравнению с природным, содержанием дейтерия.
13
2
+
Из зависимости на Фиг.1 видно, что в оптимальных условиях, при интенсивности лазерного излучения ~10 Вт/см, вероятность образования ионов DCF превышает вероятность образования ионов НС1 больше чем на 20%.