Результат интеллектуальной деятельности: Способ лазерного разделения изотопов кислорода

Изобретение относится к молекулярной физике, а именно к области разделения изотопов кислорода, и может быть использовано для получения изотопически обогащенного кислорода, а также для последующего синтеза изотопа фтора ¹⁸F, важного в медицинской диагностике.

Известен способ разделения изотопов кислорода методом дистилляции [Патент RU 2598094 С1, МПК B01D 59/04, B01D 59/28, С01В 13/02, B01D 3/14, Н01М 8/00, опубл. 20.09.2016], включающий получение кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, с помощью дистилляции кислородного сырья при использовании первого дистилляционного устройства, получение воды с помощью гидрогенизации кислорода, содержащего первично обогащенный изотоп кислорода, получение оксида азота, отводимого при дистилляции сырья оксида азота, при использовании второго дистилляционного устройства, и получение оксида азота и воды с помощью осуществления реакции химического обмена между водой и отведенным оксидом азота, в результате чего получают оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, и воду, имеющую пониженную концентрацию изотопа кислорода, при чем оксид азота, имеющий повышенную концентрацию изотопа кислорода, подают во второе дистилляционное устройство, а кислород, полученный электролизом воды, имеющей пониженную концентрацию изотопа кислорода, возвращают в первое дистилляционное устройство. Изобретение обеспечивает эффективное обогащение изотопа кислорода.

Известен способ разделения изотопов кислорода методом центрифугирования [Патент RU 2092234 С1, МПК B01D 59/20, B01D 59/50, опубл. 10.10.1997]. Способ заключается в химическом превращении кислородсодержащего неорганического соединения, обогащенного по целевому изотопу кислорода, в газообразное одноатомное неорганическое соединение кислорода с моноизотопными элементами и последующем разделении изотопов кислорода центробежным методом.

Методы лазерного разделения изотопов являются эффективными методами получения химических элементов определенного изотопического состава [Летохов В.С, 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 [W0 9712373; B01D 53/00; B01D 59/34; G01N 21/63, опубл. 03.04.1997] 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 US6831271 [B01D 59/46; B01D 59/48; G01N 27/62; G01N 27/64; H01J 49/04; H01J 49/40; H01J 49/42, опубл. 14.12.2004], 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 2652260, опубл. 25.04.2018] лазерного разделения изотопов лития, согласно которому облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используются пары хлористого лития (LiCl), длина волны резонансного инфракрасного излучения должна иметь одно из значений 14,79 мкм, 7,451 мкм, 5,006 мкм, 3,783 мкм, 3,050 мкм, 2,562 мкм, 2,213 мкм или 1,952 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 LiCl.

Известен способ [патент RU 2651338, опубл. 19.04.2018] лазерного разделения изотопов йода, согласно которому облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используются пары йода (1 г), длина волны резонансного инфракрасного излучения 47,62 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 I₂.

Известен способ [патент RU 2620051, опубл. 22.05.2017] лазерного разделения изотопов фтора, согласно которому облучение исходного газа производят резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что в качестве исходного газа используется фтороводород (HF), длина волны резонансного инфракрасного излучения 2,419 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 HF.

Известен способ [патент RU 2530062, опубл. 10.10.2014] лазерного разделения изотопов хлора, согласно которому облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что 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, 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 DCl), 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 GB1529391 (B01D 59/34; G02B 27/00; H01S 3/08, опубл. 18.10.1978), 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 GB1473330, МПК B01D 59/34; B01J 19/12; G02B 27/00; H01S 3/00; H01S 3/094; H01S 3/22, опубл. 11.05.1977] 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 В.С, 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 кислорода лазерным излучением.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерного разделения изотопов кислорода, включающем облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие сильным лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, согласно изобретению в качестве исходного газа используется кислород О2, длина волны резонансного инфракрасного излучения должна иметь одно из следующих значений: 6,811 мкм, 3,431 мкм, 2,304 мкм, 1,741 мкм, 1,403 мкм, 1,178 мкм, 1,017 мкм, 897,0 нм, 803,5 нм или 728,8 нм, диапазон сильного лазерного излучения оптический или инфракрасный, а интенсивность превышает 3×10¹³ Вт/см², причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния О₂.

Предлагается использовать эффект анти-стоксова усиления туннельной ионизации молекул. Этот эффект, предложенный в работе [Kornev A. S., Zon B. A., Phys. Rev. А 86, 043401 (2012); 97, 033413 (2018)] и более детально рассмотренный в работах [Kornev A. S., Zon B. A., Laser Phys. 24, 115302 (2014)] применительно к молекуле HF, [Kornev A. S., Zon В. A., Phys. Rev. А 92, 033420 (2015)] применительно к N₂, [Kopytin I. V., Komev A. S., Zon B. A., Laser Phys. 29, 095301 (2019)] применительно к молекуле O₂ 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); Komev A. S. et al., Laser Phys. Lett. 10, 085301 (2013); Komev A. S., Zon B. A., Laser Phys. Lett. 16, 105301 (2019)] или молекулах [Komev A. S., Zon B. A., Phys. Rev. A 86, 043401 (2012); 92, 033420 (2015); Komev A. S., Zon B. A. Laser Phys. 24, 115302 (2014); Komev A. S., Zon B. A., Phys. Rev. A 97, 033413 (2018); Kopytin I. V. et al., Laser Phys. 29, 095301 (2019)]. 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 О₂⁺ из возбужденного колебательного состояния (υ_i=1) к вероятности образования ионов О₂⁺ из основного колебательного состояния (υ_i=0), в зависимости от интенсивности лазерного излучения I.

На Фиг. 2 представлена таблица значений длин волн резонансного инфракрасного излучения для разных возбужденных колебательных состояний (υ_i =1, 2, …, 10).

В природе встречаются три стабильных изотопа кислорода: ¹⁶O (99,738-99,776%), ¹⁷O (0,037-0,040%) и ¹⁸O (0,188-0,222%). В живой природе фильтрация тяжелых изотопов (¹⁷O, ¹⁸O) происходит естественным биохимическим путем в ходе фотосинтеза [Yeung L. Y, Ash J. L, Young E. D. Science 348, 431 (2015)]. В результате тяжелые изотопы связываются в биомассе, а изотоп ¹⁶O выделяется в атмосферу. Данный процесс непригоден для практического использования ввиду малой скорости фотосинтеза. Для целей медицины важен изотоп ¹⁸O, из которого в результате бомбардировки протонным пучком синтезируется долгоживущий β⁺-активный изотоп ¹⁸F, используемый в некоторых диагностических процедурах. В газовой смеси, содержащей различные изотопы кислорода (^1бО, ¹⁷O, ¹⁸O), молекулы облучаются инфракрасным излучением с длиной волны λ_р в соответствии с данными из Фиг. 2 для заселения υ_i-го колебательного состояния молекулы ¹⁸О₂. 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, - атомная единица длины (боровский радиус), Е_а=27,2 эВ=4,36×10¹⁸ Дж - атомная единица энергии, I_a=3,51х10¹⁶ Вт см^-2=3,51×10²⁰ Вт м^-2 - атомная единица интенсивности, а_е=7,23×10^-3 - постоянная тонкой структуры.

Для молекулы кислорода O₂ (Е₀=12,077 эВ) эта интенсивность должна превышать 3.8×10¹³ Вт/см² при длине волны ионизирующего излучения 1,3 мкм или 1.6×10¹³ 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 ¹⁸О₂. Далее, путем экстракции положительных ионов, получают кислород с повышенным по сравнению с исходным содержанием изотопа ¹⁸O.

Из зависимости на Фиг. 1 видно, что в оптимальных условиях, при интенсивности лазерного излучения ~3×10¹³ Вт/см², вероятность образования ¹⁸О₂⁺ превышает вероятность образования ионов ¹⁶О₂⁺ более, чем в 10 раз.