Результат интеллектуальной деятельности: Способ лазерного разделения изотопов йода

Изобретение относится к молекулярной физике, а именно к области разделения изотопов йода, и может быть использовано для получения изотопически обогащенного йода, а также для утилизации радиоактивных отходов.

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 г.], 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 [WO 9712373; МПК B01D 53/00; B01D 59/34; G01N 21/63; опубл. 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 порядка 10^-15 с.

Способ разделения и обогащения стабильных изотопов в газовой фазе с использованием принципов спектрометрии ионной подвижности при атмосферном давлении (760 мм рт.ст.) и при комнатной температуре (298 К) согласно патенту US 6831271 [B01D 59/46; B01D 59/48; G01N 27/62; G01N 27/64; H01J 49/04; H01J 49/40; H01J 49/42 2004-12-14] может быть использован для разделения и обогащения изотопов фтора. Электроспрей-ионизация используется для создания газовой смеси ионов, и ионные пучки на выходе из сильного поля с асимметричной формой волны спектрометра подвижности ионов попадают в масс-спектрометр для идентификации изотопов.

Известен способ [патент RU 2530062, МПК B01D 59/00, опубл. 10.10.2014] лазерного разделения изотопов хлора, согласно которому проводят облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, в качестве исходного газа используется хлористый водород (HCl), длина волны резонансного инфракрасного излучения 3,782 мкм, диапазон лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность сильного лазерного излучения превышает 10¹³ Вт/см², причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния HCl.

Известен способ [патент RU 2531178, МПК B01D 59/00, опубл. 20.10.2014] лазерного разделения изотопов водорода облучением исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используется хлористый водород (смесь HCl и DC1), длина волны резонансного инфракрасного излучения 4,662 мкм, диапазон лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность превышает 10¹³ Вт/см², причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния DCl.

Известен способ разделения различных изотопов по патенту GB 1529391 (B01D 59/34; G02B 27/00; H01S 3/08 1978-10-18), согласно которому пар, содержащий смесь изотопов, облучают для возбуждения изотопов одного типа до повышенного колебательного состояние и перехода возбужденных изотопов на более высокий электронный уровень, на котором электронные заряды разделяются. Пар обеспечивает сильно насыщенную атмосферу, которая не является растворителем для изотопов.

Известен способ [патент GB 1473330, 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 ИК-излучением с помощью ИК-лазера при интенсивности, по крайней мере, 10⁴ Вт/см², в течение времени от 10^-10 до 5×10^-5 с, причем молекулы, содержащие желаемый изотоп или изотопы, преимущественно возбуждены резонансным излучением и поглощают больше, чем один квант ИК-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 изотопов йода лазерным излучением.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерного разделения изотопов йода, включающем облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, согласно изобретению в качестве исходного газа используются пары йода (I₂). Длина волны резонансного инфракрасного излучения 47,62 мкм, диапазон сильного лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность превышает 10¹³ Вт/см², причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния I₂.

Предлагается использовать эффект антистоксова усиления туннельной ионизации молекул. Этот эффект, предложенный в работе [Kornev A.S., Zon B.A. Phys. Rev. A 86, 043401 (2012)] и более детально рассмотренный в работе [Kornev A.S., Zon В.А. Laser Phys. 24, 115302 (2014)] применительно к молекуле HF, 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 [Kornev A.S. et al., Phys. Rev. A 68, 065403 (2003); 69, 065401 (2004); 79, 063405 (2009); 84, 053424 (2011); 85, 035402 (2012)] или молекулах [Kornev A.S., Zon B.A., Phys. Rev. A 86, 043401 (2012); Kornev A.S., Zon B.A. Laser Phys. 24, 115302 (2014)]. 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 разные частоты колебательных переходов.

На Фиг. 1 показана зависимость отношения вероятности образования ионов I₂⁺ из возбужденного колебательного состояния (υ_i=1) к вероятности образования ионов I₂⁺ из основного колебательного состояния (υ_i=0), в зависимости от интенсивности лазерного излучения I.

В природе встречается единственный стабильный изотоп I¹²⁷. Долгоживущий β^--радиоактивный изотоп I¹³¹ может быть получен искусственно из Те¹³¹ бомбардировкой нейтронами либо он содержится в радиоактивных отходах, являясь экологически наиболее опасным нуклидом. Достаточно длинный период полураспада I¹³¹ (8,02070 суток) позволяет получить из газовой смеси, содержащей различные изотопы йода (I¹²⁷ и I¹³¹), молекулы I₂¹³¹. Пары йода облучаются инфракрасным излучением с длиной волны 47,62 мкм для заселения первого колебательного состояния молекулы I₂¹³¹. 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, то есть удовлетворять неравенству

.

Здесь Е₀ - потенциал ионизации молекулы, λ - длина волны ионизирующего излучения, a=0,529 =0,529×10^-10 м - атомная единица длины (боровский радиус), Е_а=27,2 эВ =4,36×10^-18 Дж - атомная единица энергии, I_а=3,51×10¹⁶ Вт см^-2 =3,51×10²⁰ Вт м^-2 - атомная единица интенсивности, α_e=7,23×10^-3 - постоянная тонкой структуры.

Для молекулы йода I₂ эта интенсивность должна превышать 3×10¹³ Вт/см² при длине волны ионизирующего излучения 1,3 мкм или 1.4×10¹³ Вт/см² 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 I₂¹³¹. Далее, путем экстракции положительных ионов, получают йод с повышенным по сравнению с исходным содержанием изотопа I¹³¹.

Из зависимости на Фиг. 1 видно, что в оптимальных условиях, при интенсивности лазерного излучения ~10¹³ Вт/см², вероятность образования I₂¹³¹⁺ превышает вероятность образования ионов I₂¹²⁷⁺ более чем в 2 раза.