СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПА ИТТЕРБИЯ
METHOD FOR EXTRACTION OF YTTERBIUM ISOTOPE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу лазерного выделения изотопа иттербия, а более конкретно к способу лазерного выделения изотопа иттербия с использованием селективной по отношению к изотопу фотоионизации целевого изотопа с последующим извлечением ионизированного целевого изотопа.
Уровень техники
176
174
173
172
171
170
168
176
168
Природный иттербий (Yb) состоит из семи изотопов, Yb, Yb, Yb, Yb, Yb, Yb и Yb, с относительными содержаниями 12,7%, 31,8%, 16,1%, 21,9%, 14,3%, 3,05% и 0,13% соответственно. Из числа этих изотопов иттербия Yb и Yb являются очень полезными в отраслях промышленности.
176
177
177
177
1/2
Иттербий, содержащий Yb в повышенном процентном количестве около 95%, используют в качестве исходного материала радиоактивного изотопа Lu. Lu с периодом полураспада (Т) 6,89 суток одновременно излучает элементарные β-частицы, имеющие энергии 0,421 МэВ и 0,133 МэВ, и гамма-лучи (γ), имеющие энергии 208 кэВ и 113 кэВ. Поэтому, поскольку Lu одновременно испускает β-частицы, пригодные для медицинского лечения, и γ-лучи, пригодные для получения изображения, он определяется как идеальный радиоактивный изотоп, с помощью которого одновременно могут быть осуществлены медицинское лечение и получение изображения.
177
177
176
177
176
177
176
Lu представляет собой один из радиоактивных изотопов, образующихся в ядерном реакторе. Lu получают с помощью процесса непосредственного образования, при котором осуществляют нейтронное облучение обогащенной Lu мишени для образования Lu в соответствии с реакцией Lu(n, γ)Lu, или с помощью процесса непрямого образования, при котором обогащенную Yb мишень используют в качестве исходного материала, в соответствии с реакцией
176
177
-
177
177
176
177
177
-
177
177
5
177
176
177
Yb(n, γ)Yb(β→)Lu. При непрямом процессе образования Yb получают с помощью реакции (n, γ) в ходе нейтронного облучения мишени, обогащенной Yb, и при этом Yb с периодом полураспада 1,9 ч превращается в Lu вследствие β-распада. По существу, путем химического выделения Lu из Yb в ходе нейтронного облучения можно получать свободный от носителя Lu, имеющий удельную радиоактивность до 1,1×10 Ки/г. Предполагается, что свободный от носителя Lu, имеющий высокую удельную радиоактивность, будет иметь повышенную ценность как медикамент для современной радиоиммунотерапии рака предстательной железы, рака молочной железы и т.д., вследствие чего возрастает потребность в обогащенных Yb мишенях в качестве исходного материала, свободного от носителя Lu.
168
169
169
60
192
169
Кроме того, иттербий, содержащий Yb в повышенном процентном количестве 20%, используют в качестве исходного материала радиоактивного изотопа Yb, который получают с помощью нейтронного облучения в ядерном реакторе. Поскольку вследствие высокой удельной радиоактивности Yb является выгодным для создания радиоактивного источника небольших размеров и не излучает элементарных β-частиц, он имеет очень хорошие характеристики по сравнению с Co или Ir, широко используемыми в качестве радиоактивных изотопов при неразрушающем контроле. В частности, Yb может быть эффективно использован в высокоточном излучателе небольших размеров для нержавеющей стали или циркония.
Электромагнитный способ является единственным имеющим промышленное значение способом, используемым для разделения изотопов иттербия. В электромагнитном способе используется принцип, в соответствии с которым ионный пучок иттербия, имеющий одну энергию, пропускают через магнитное поле, равномерно распределенное в пространстве, при этом траектория ионного пучка расщепляется в пространстве соответственно изотопам иттербия. Электромагнитный способ является способом, разработанным в середине 20 века, и он обладает достоинствами вследствие возможного применения к широкому ряду элементов. Однако электромагнитный способ имеет недостатки, заключающиеся в том, что он имеет низкий выход продукта в единицу времени, и необходимы большие затраты на разделение.
Для исключения недостатков электромагнитного способа был разработан лазерный способ разделения изотопов в атомном паре. В лазерном способе разделения изотопов в атомном паре селективно ионизируют только целевой изотоп путем облучения лазером атомного пучка металлического элемента, а затем ионы целевого изотопа извлекают из потока атомного пара, прикладывая электрическое поле к атомному пучку. Например, в патентах США №№4793307, 5202005 и 5443702 раскрыты способы для разделения изотопов, например, изотопов ртути Hg, гадолиния Gd, эрбия Er, соответственно, путем использования лазера. В выложенной публикации патента Японии № (Н)11-99320 раскрыт способ, в котором, в отличие от патента США №4793307, использован другой путь фотоионизации изотопа ртути. Кроме того, патент Кореи №0478533 и Международная заявка WO 04/011129 относятся к способам лазерного разделения изотопов.
По существу, чтобы определить, возможна или невозможна техническая реализация способа лазерного разделения изотопов применительно к конкретному элементу, необходимо рассмотреть различные моменты, включая пути селективной фотоионизации, образование атомного пучка, эффективный сбор фотоионов и т.п. Кроме того, необходимо иметь сведения относительно атомных параметров, таких как изотопический сдвиг соответствующих энергетических состояний, зависящий от пути фотоионизации, сверхтонкая структура, энергия, угловой момент, время жизни и т.д.
Если определено, что лазерное разделение изотопов может быть технически реализовано применительно к конкретному элементу, выполняют экономический анализ путем сравнения стоимости продукта, получаемого способом лазерного разделения изотопов, со стоимостью продукта согласно другим способам. Для этого необходимо учитывать количество лазеров, выходную мощность лазера, ширину спектральной линии лазера и т.д., которые в сочетании зависят от пути фотоионизации, а также от физического свойства элемента, определяющего характеристики атомного пучка.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
176
Один из известных способов лазерного разделения изотопов раскрыт в патенте РФ №2119816. Этот патент относится к способу выделения изотопа иттербия, и в нем предлагается путь фотоионизации иттербия: 0 см→ 17992,007 см→ 35196,98 см→ 52353 см. Иначе говоря, в этом патенте предлагается процесс ионизации, в котором после возбуждения целевого изотопа до 35196,98 см путем использования лазерных импульсов небольшой длительности, имеющих длины волн 555,65 нм и 581,03 нм, целевой изотоп ионизируют в автоионизационное состояние 52353 см, используя импульсный лазер, имеющий длину волны 582,8 нм. При этом влияние ширины линии и выходной плотности потока лазера на селективность изотопа в трехэтапном способе фотоионизации с использованием лазеров описано в различных публикациях (см. G.P.Gupta and B.M.Suri, J. Phys. D, vol.35, 1319, 2002, и M. Sankari and M.V.Suryanarayana, J. Phys. B, vol.31, 261-273. 2002). Согласно этому патенту необходимо использовать лазер с небольшой шириной спектральной линии, составляющей 500 МГц или меньше, чтобы обогатить Yb до чистоты 95% или более высокой, и поддерживать интенсивность лазера на заданном или меньшем уровне, поскольку полевое уширение, определяемое интенсивностью лазера, снижает селективность во время фотоионизации. В способе лазерного разделения изотопов ограничение интенсивности лазера приводит к снижению коэффициента ионизации атома, который непосредственно связан с количеством производимого продукта, и приводит к снижению продуктивности системы.
Таким образом, имеются несколько проблем, возникающих при промышленном использовании известного способа лазерного выделения изотопа иттербия.
Раскрытие изобретения
Техническая задача
Настоящее изобретение разработано для разрешения указанных выше проблем, и задача настоящего изобретения заключается в создании способа лазерного выделения изотопа иттербия, которым можно выделять большое количество изотопа иттербия, используя серийно выпускаемый лазер для обеспечения экономической эффективности при выделении изотопа.
Техническое решение
168
170
171
172
173
174
176
В соответствии с одним объектом настоящего изобретения указанные выше и другие задачи могут быть решены путем создания способа выделения конкретного изотопа иттербия из пара иттербия, состоящего из семи изотопов - Yb, Yb, Yb, Yb, Yb, Yb и Yb, включающего стадии, на которых: осуществляют селективную по отношению к изотопу оптическую накачку путем подведения фотона с первой длиной волны, имеющего длину волны 555,65 нм, и фотона со второй длиной волны, имеющего длину волны 1,539 мкм, к пару иттербия, так что атом иттербия целевого изотопа переходит из основного состояния в метастабильное состояние через первое возбужденное состояние и второе возбужденное состояние; возбуждают атом иттербия из метастабильного состояния в третье возбужденное состояние, подводя фотон с третьей длиной волны к атому иттербия в метастабильном состоянии, при этом фотон с третьей длиной волны имеет длину волны, выбираемую из 410 нм и 648,9 нм; фотоионизируют возбужденный атом иттербия, подводя фотон с четвертой длиной волны, имеющий заданную длину волны, к возбужденному атому иттербия; и собирают ионы фотоионизированного изотопа иттербия.
Полезные эффекты
Способ согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность получения большого количества изотопа иттербия посредством устройства для выделения небольших размеров путем использования серийно выпускаемой лазерной системы.
Краткое описание чертежей
Указанные выше и другие задачи, признаки и другие преимущества настоящего изобретения станут более отчетливо понятными из нижеследующего подробного описания в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых:
фиг.1 - схематический вид, иллюстрирующий способ выделения изотопа иттербия;
фиг.2 - диаграмма, иллюстрирующая частичное энергетическое состояние атома иттербия;
фиг.3 - диаграмма, иллюстрирующая изотопические сдвиги и сверхтонкие структуры энергетического состояния иттербия, зависящего от оптической накачки;
фиг.4 - спектр оптической накачки изотопа иттербия, вычисленный в предположении, что лазеры оптической накачки имеют выходную мощность 1 Вт и гауссово распределение интенсивности при полной ширине 10 мм на половине максимума;
фиг.5а - массовый спектр неселективно фотоионизированного атома иттербия; и
176
фиг.5b - массовый спектр фотоионизированного атома иттербия в случае, когда частота лазерного пучка оптической накачки настроена на резонансную линию Yb.
Лучший вариант осуществления изобретения
Настоящее изобретение представляет собой способ с использованием селективной фотоионизации изотопов иттербия, который обеспечивает возможность эффективной ионизации с высокой селективностью по отношению к изотопам с последующим разделением изотопов иттербия, в результате которого наружу извлекаются ионы селективно фотоионизированного изотопа иттербия.
Другими словами, способ согласно настоящему изобретению характеризуется селективной фотоионизацией изотопов иттербия, которая включает в себя селективный по отношению к изотопам процесс оптической накачки для оптической накачки целевого изотопа в метастабильное состояние и процесс резонансной фотоионизации для фотоионизации атома целевого изотопа из метастабильного состояния в континуальное состояние или автоионизационное состояние через возбужденное состояние. Селективная по отношению к изотопу оптическая накачка может быть осуществлена с высокой эффективностью и с высокой селективностью посредством двух лазерных систем непрерывного излучения, которые нетрудно получить от соответствующих предприятий, и при этом только целевой изотоп может оставаться в метастабильном состоянии в течение такого процесса. К тому же процесс резонансной фотоионизации представляет собой процесс, предназначенный для ионизации атома в метастабильном состоянии, и может быть осуществлен с использованием импульсного лазера в диапазоне видимого света или импульсного лазера в инфракрасном диапазоне.
Согласно настоящему изобретению, поскольку селективность по отношению к изотопу и ионизацию атома получают с помощью селективного по отношению к изотопам процесса и процесса резонансной фотоионизации соответственно, то полевое уширение атомной линии, наводимое выходным излучением лазера, не влияет на селективность по отношению к изотопам. Поэтому настоящее изобретение обеспечивает возможность высокоэффективной ионизации и является очень выгодным при массовом получении изотопов иттербия.
Порядок осуществления изобретения
Теперь со ссылками на сопровождающие чертежи будут подробно описаны предпочтительные осуществления. Следует отметить, что осуществления предоставляются с иллюстративной целью и не ограничивают объем настоящего изобретения.
168
170
171
172
173
174
176
Согласно настоящему изобретению способом нагрева сначала образуют пар иттербия (то есть атомный пучок иттербия) 2, состоящий из семи изотопов, Yb, Yb, Yb, Yb, Yb, Yb и Yb, используя генератор 1 атомного пучка иттербия, показанный на фиг.1. В данном случае способ нагрева не ограничен конкретным способом. Например, атомный пучок иттербия может быть образован путем нагревания иттербия до 1000°С или ниже. После того, как атомный пучок иттербия образован, как описано выше, его подводят к коллиматору 3 атомного пучка, чтобы образовать атомный пучок, имеющий ширину доплеровской линии 500 МГц или меньше.
На фиг.1 фотон с первой длиной волны, имеющий длину волны 555,65 нм, обозначен поз.4, а фотон со второй длиной волны обозначен поз.5. Кроме того, на фиг.1 поз.6 обозначает фотон c третьей длиной волны, генерируемый с помощью импульсной лазерной системы, а поз.7 обозначает фотон с четвертой длиной волны, генерируемый с помощью импульсной лазерной системы.
Затем осуществляют селективную по отношению к изотопу оптическую накачку, подводя фотон 4 с первой длиной волны, имеющий длину волны 555,65 нм, и фотон 5 со второй длиной волны к пару иттербия, так что атом иттербия целевого изотопа переходит из основного состояния в метастабильное состояние через первое возбужденное состояние и второе возбужденное состояние. Для повышения селективности по отношению к целевому изотопу на этом этапе желательно, чтобы фотон с первой длиной волны и фотон с второй длиной волны были генерированы с помощью лазерной системы непрерывного излучения. Селективная по отношению к изотопу оптическая накачка будет подробно описана ниже со ссылкой на фиг.2.
Целевой изотоп из числа изотопов иттербия возбуждают из основного состояния |1> в состояние |3> через состояние |2> посредством лазера непрерывного излучения, имеющего длину волны 555,65 нм, и лазера непрерывного излучения, имеющего длину волны 1,539 мкм. Целевой изотоп, возбужденный в состояние |3>, испытывает воздействие процесса спонтанного распада в основное состояние |1>, и в этом случае через возбужденное состояние |2>, или его оптически накачивают в метастабильное состояние |4>. Само по себе встречное распространение пучков лазеров непрерывного излучения, имеющих длины волн 555,65 нм и 1,539 мкм (метод двойного резонанса) обеспечивает возможность исключения влияния ширины доплеровской линии атомного пучка на селективность по отношению к изотопу во время оптической накачки, в результате чего гарантируется достаточная селективность по отношению к изотопу. Поскольку время жизни состояния |4> составляет приблизительно несколько секунд, которое является очень продолжительным, оптически накачанный изотоп остается в состоянии |4> в течение длительного периода времени. Затем изотоп, распавшийся до состояния |1>, возбуждают в состояние |3> посредством лазеров непрерывного излучения. По существу, путем повторения указанных выше процессов несколько раз большую часть целевого изотопа оптически накачивают в состояние |4>. Поскольку другие изотопы, исключая целевой изотоп, не возбуждаются в состояние |4>, то в это время можно получать очень высокую селективность по отношению к изотопу в процессе этапа оптической накачки.
1
-1
3
-1
3
-1
3
-1
-1
1
3
3
0
0
2
1
0
1
1
Атом иттербия имеет очень простую энергетическую структуру электронов, которая состоит из основного состояния (6S: 0 см), двух метастабильных состояний (6P: 17288,4 см, 6P: 19710,4 см) и состояния (6P: 17992,0 см) на более низком энергетическом уровне, чем 20000 см. Линия перехода 6S→ 6P, то есть линия перехода, начинающаяся от основного состояния, имеет длину волны перехода 555,65 нм, которую можно легко получить путем перевода лазера на легированном иттербием волокне, работающего в диапазоне длин волн 1,1 мкм, серийно выпускаемого для оптической связи, на излучение второй гармоники. К тому же из числа линий переходов, возбуждаемых из состояния 6P, линия перехода
3
3
3
1
1
1
6P→ 5D, то есть линия перехода, возбуждаемая до 5D, имеет длину волны 1,539 мкм, которая может быть получена с помощью серийно выпускаемой лазерной системы на легированном эрбием волокне.
3
3
3
3
1
0
1
2
Поскольку коэффициент ветвления из состояния 5D в состояние 6P в 40 или более раз больше, чем коэффициент ветвления из состояния 5D в состояние 6P, то в случае атома иттербия линия перехода при двойном резонансе в виде
1
3
3
3
3
-5
3
0
1
1
2
0,1,2
0,1,2
6S → 6P→ 5D является очень выгодной по сравнению с оптической накачкой в состояние 6P. В соответствии с этим при использовании двух лазеров непрерывного излучения, имеющих длины волн 555,65 нм и 1,539 мкм, в качестве лазеров для оптической накачки, можно легко осуществлять оптическую накачку целевого изотопа в основное состояние. К тому же, поскольку совокупность состояний 6P равна 10 или меньше, то в случае формирования атомного пучка иттербия при температуре 1000°С или ниже исходная совокупность 6P состояний не влияет на селективность изотопа.
Затем атом иттербия возбуждают из метастабильного состояния в третье возбужденное состояние, подводя фотон с третьей длиной волны к атому иттербия в метастабильном состоянии, которое получают с помощью селективной по отношению к изотопу оптической накачки, описанной выше. В данном случае фотон с третьей длиной волны представляет собой фотон с длиной волны одной категории, выбранной из длин волн 410 нм и 648,9 нм.
После этого возбужденный атом иттербия фотоионизируют, подводя фотон с четвертой длиной волны, имеющий заданную длину волны, к атому иттербия, который возбуждают в третье возбужденное состояние. В частности, если фотон, имеющий длину волны 410 нм, используют в качестве фотона с третьей длиной волны, то при фотоионизации возбужденного атома иттербия предпочтительно, чтобы для этой цели применялся фотон с четвертой длиной волны, имеющий длину волны 1,06 мкм, а если фотон, имеющий длину волны 648,9 нм, используют в качестве фотона с третьей длиной волны, то предпочтительно, чтобы для этой цели применялся фотон с четвертой длиной волны, имеющий длину волны 559,5 нм.
В данном случае предпочтительно, чтобы фотон 6 с третьей длиной волны и фотон 7 с четвертой длиной волны были генерированы с помощью импульсной лазерной системы, поскольку импульсные лазеры имеют высокую выходную мощность в единицу времени и обеспечивают высокий коэффициент фотоионизации.
Ниже со ссылкой на фиг.2 будут подробно описаны возбуждение третьего возбужденного состояния и фотоионизация.
-1
-1
На фиг.2 целевой изотоп, оптически накачанный в состояние |4'>, может быть фотоионизирован в континуальное состояние или автоионизационное состояние через возбужденное состояние двумя путями. Иначе говоря, в соответствии с первым путем целевой изотоп возбуждают в состояние |5'>(41615,0 см) в качестве возбужденного состояния, подводя фотон с третьей длиной волны, имеющий длину волны 410 нм, к целевому изотопу, оптически накачанному в состояние |4'>, и затем возбуждают в состояние |6'> в качестве континуального состояния, подводя фотон с четвертой длиной волны, имеющий длину волны 1,06 мкм, к возбужденному целевому изотопу. Первый путь является выгодным в том, что согласно ему используется лазер, имеющий длину волны 1,06 мкм, который обычно применяют в данной области техники. В дополнение к этому согласно второму пути целевой изотоп возбуждают в состояние |5>(32694,7 см) в качестве возбужденного состояния, подводя фотон с третьей длиной волны, имеющий длину волны 648,9 нм, к целевому изотопу, оптически накачанному в состояние |4'>, и затем возбуждают в состояние |6> в качестве автоионизационного состояния, подводя фотон с четвертой длиной волны, имеющий длину волны 559,5 нм, к возбужденному целевому изотопу.
После этого собирают ионы фотоионизированного изотопа иттербия с тем, чтобы целевой изотоп иттербия был отделен от пара 2 иттербия. На фиг.1 коллектор 8 ионов иттербия используется для сбора ионов фотоионизированного изотопа иттербия. Коллектор 8 ионов иттербия извлекает ионы 10 фотоионизированного изотопа иттербия при приложении электрического поля к ионам фотоионизированного изотопа иттербия, в то время как электроны 9, испускаемые из изотопов иттербия, направляются в направлении, противоположном к ионам фотоионизированного изотопа иттербия.
1
3
3
3
3
0
1
1
1
0
На фиг.3 показаны изотопические сдвиги и сверхтонкие структуры энергетического состояния иттербия, относящиеся к переходу при оптической накачке. Как можно понять из фиг.3, изотопический сдвиг на линии перехода 6S → 6P составляет около 1 ГГц, и изотопический сдвиг на линии перехода 6P → 5D составляет около 0,15 ГГц. Следовательно, при формировании атомного пучка с получением ширины доплеровской линии около 500 МГц или меньше и оптической накачке целевого изотопа в состояние 6P с использованием одночастотных лазеров непрерывного излучения, имеющих длины волн 555,65 нм и 1,539 мкм, соответственно, можно получать высокую селективность изотопа и высокую эффективность оптической накачки, составляющую 90% или выше.
На фиг.4 представлен спектр оптической накачки линии перехода
1
3
3
0
1
1
6S → 6P → 5D как линии перехода при оптической накачке, полученной с использованием двух лазеров непрерывного излучения, которые имеют выходную мощность 1 Вт и гауссово распределение интенсивности при полной ширине 10 мм на половине максимума. На фиг.4 спектр оптической накачки имеет ширину около 23 МГц. Поэтому с учетом того, что изотопический сдвиг иттербия находится в диапазоне около 1 ГГц, можно понять, что селективность изотопа является очень высокой.
176
На фиг.5а представлен массовый спектр неселективно фотоионизированного атома иттербия, а на фиг.5b представлен массовый спектр фотоионизированного атома иттербия, измеренные с использованием времяпролетного масс-спектрометра после фотоионизации изотопа иттербия в соответствии с настоящим изобретением. Как можно видеть из фиг.5а и 5b, способом согласно настоящему изобретению легко обеспечивается селективная фотоионизация конкретного изотопа иттербия, зависящая от длин волн лазеров непрерывного излучения, которые используются в качестве лазеров оптической накачки. Подсчитано, что для получения желаемых изотопов иттербия с производительностью 1 кг/год путем применения способа настоящего изобретения для выделения Yb необходимые мощности лазеров должны быть около 500 мВт, 4 Вт и 400 Вт для лазера непрерывного излучения, импульсного лазера видимого света, предназначенного для возбуждения, и импульсного инфракрасного лазера, предназначенного для фотоионизации, соответственно. Для импульсных лазеров необходимая частота повторения составляет около 5 кГц.
Должно быть понятно, что осуществления и сопровождающие чертежи описаны для иллюстративных целей, и настоящее изобретение ограничивается только нижеследующей формулой изобретения. Кроме того, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные модификации, дополнения и замены допустимы без отступления от объема и сущности изобретения в соответствии с сопровождающей формулой изобретения.