[go: up one dir, main page]

RU2531178C2 - Method for laser separation of hydrogen isotopes - Google Patents

Method for laser separation of hydrogen isotopes Download PDF

Info

Publication number
RU2531178C2
RU2531178C2 RU2012154884/05A RU2012154884A RU2531178C2 RU 2531178 C2 RU2531178 C2 RU 2531178C2 RU 2012154884/05 A RU2012154884/05 A RU 2012154884/05A RU 2012154884 A RU2012154884 A RU 2012154884A RU 2531178 C2 RU2531178 C2 RU 2531178C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
radiation
hydrogen isotopes
infrared
separation
Prior art date
Application number
RU2012154884/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012154884A (en
Inventor
Борис Абрамович Зон
Алексей Станиславович Корнев
Елена Ивановна Деревягина
Виктор Алексеевич Давыдкин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ")
Priority to RU2012154884/05A priority Critical patent/RU2531178C2/en
Publication of RU2012154884A publication Critical patent/RU2012154884A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2531178C2 publication Critical patent/RU2531178C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to molecular physics, specifically to separation of hydrogen isotopes, and can be used to separate the deuterium isotope D. The method for laser separation of hydrogen isotopes includes irradiating starting hydrogen chloride HCl gas with resonance infrared radiation with wavelength of 4.662 mcm, subsequent irradiation with laser radiation in the optical or infrared range with intensity greater than 1013 W/cm2 and extracting the formed positive ions, wherein the time between irradiation with resonance infrared radiation and laser radiation must not exceed the decay time of the oscillatory state of deuterium chloride DCl.
EFFECT: invention improves the efficiency of separating hydrogen isotopes.
1 dwg

Description

Изобретение относится к молекулярной физике, а именно к области разделения изотопов водорода, и может быть использовано для выделения изотопа дейтерия D.The invention relates to molecular physics, and in particular to the field of separation of hydrogen isotopes, and can be used to isolate the isotope deuterium 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.Chemical methods for the separation of hydrogen isotopes are known [RF patent 2201283, IPC B01D 59/04 of 11/21/2001], in which two feed streams from protium, tritium, and deuterium are processed in cryogenic distillation columns and homomolecular isotopic exchange units. The disadvantage of this method is the high cost of the separation process.

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.Known methods for the separation of hydrogen isotopes using infrared laser technology in combination with chemical processes. In particular, in patent CA1103614 [IPC B01D59 / 34, С01В 4/00, СВВ 5/02 from 1977-12-01] acetic or formic acid containing deuterated and hydrogenated acids compounds are irradiated with a wavelength in the infrared spectrum from 9 , 2 to 10.8 μm, to obtain deuterium hydroxide and deuterium hydride, respectively. In the patent CA1085341 [IPC B01D 59/34, C01B 4/00, C01B 5/02, H01S 3/00 from 1976-07-19] deuterium from natural sources is isolated using tuned infrared lasers, and molecules containing deuterium are separated from source material by absorption, distillation or other chemical methods.

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 10-15c. Время между двумя импульсами должно быть равно целому числу полупериодов резонансного периода выбранного компонента.Laser isotope separation methods are effective methods for producing chemical elements of a certain isotopic composition [Letokhov BC, Moore SB Quantum Electronics, vol. 3, issue 3, 4, 1976], which is associated with the possibility of significant isotopic enrichment in one cycle. Laser isotope separation methods are based on the selective excitation by laser radiation of electronic or vibrational levels of atoms or molecules of a certain isotopic composition. The method of selective stimulation of one molecular component in a mixture [WO 9712373, B01D 53/00, B01D 59/34, G01N 21/63 from 1997-04-03] involves the transition of both components to the first excited state at the first laser pulse and a selective transition of one component to the second excited state with a second laser pulse of 10 -15 s duration. The time between two pulses should be equal to the integer number of half-periods of the resonance period of the selected component.

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, 104 Вт/см2 от 10-10 до 5×10-5 c, 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.The known method [patent GB1473330, IPC B01D 59/34, B01J 19/12, G02B 27/00, H01S 3/00, H01S 3/094, H01S 3/22 from 10.23.1973] laser isotope separation, taken as a prototype based on isotopically selective excitation of gas phase molecules during infrared absorption of photons, which includes the following stages: irradiation of molecules with PC radiation using an IR laser at an intensity of at least 10 4 W / cm 2 from 10 -10 to 5 × 10 −5 s, with molecules containing the desired isotope or isotopes predominantly excited by resonant radiation and absorb more than one guy of PC radiation; the conversion of excited molecules during laser irradiation of the optical or UV range for photodissociation, in which the excited molecules can be separated from unexcited.

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.Selective vibrational excitation is considered the most difficult method [Letokhov B.C., Moore SB, cit. Cit., P. 253]. This is due to the fact that, despite the simplicity of selective vibrational excitation, it is difficult to further isolate vibrationally excited molecules.

Задачей изобретения является устранение недостатков, присущих прототипу.The objective of the invention is to eliminate the disadvantages inherent in the prototype.

Технический результат заключается в повышении эффективности выделения изотопа водорода лазерным разделением.The technical result consists in increasing the efficiency of hydrogen isotope separation by laser separation.

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 1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния DC1.The technical result is achieved by the fact that in the method of laser separation of hydrogen isotopes, which includes irradiating the source gas with resonant infrared radiation, subsequent exposure to laser radiation and extraction of the generated positive ions according to the invention, hydrogen chloride (Hcl) is used as the source gas, the wavelength of resonant infrared radiation is 4.662 μm laser radiation optical or infrared range, and the intensity is greater than 10 13 W / cm 2 and the time between exposures resonances Nogo infrared laser radiation and should not exceed the decay time of the vibrational state of 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.It is proposed to use the effect of anti-Stokes amplification of tunnel ionization of molecules. This effect, proposed and described in [Komev A.S., Zon B.A. Phys. Rev. A 86, 043401 (2012)], consists in a significant increase in the probability of the tunneling effect in the laser field for vibrationally excited molecules. With the tunneling effect in the laser field, an inelastic process is possible when part of the energy is transferred to the tunneling electron from other degrees of freedom in the atoms [Komev A.S. et al. Phys. Rev. A 68, 065403 (2003); 69, 065401 (2004); 79, 063405 (2009); 84, 053424 (2011); 85, 035402 (2012)] or molecules [Komev A.S., Zon B.A., Phys. Rev. A 86, 043401 (2012)]. For molecules, such other degrees of freedom may be the vibrational degrees of freedom of the nuclei of the atoms that make up the molecule. The preliminary excitation of nuclear vibrations allows the formation of ions with the predominant content of certain isotopes as a result of the tunneling effect, since neutral molecules of different isotopic composition have different frequencies of vibrational transitions.

На Фиг.1 показана зависимость отношения вероятности образования ионов DCF+ из возбужденного колебательного состояния (vi=1) к вероятности образования ионов НСl+ из основного колебательного состояния {Vi=0) от интенсивности лазерного излучения I [Вт/см2].Figure 1 shows the dependence of the probability of formation of DCF + ions from an excited vibrational state (v i = 1) to the probability of formation of Hcl + ions from the ground vibrational state (V i = 0) on the laser radiation intensity I [W / cm 2 ].

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 неравенствуHydrogen chloride gas containing deuterium (deuterium in natural hydrogen is approximately 1.5%) is irradiated with a wavelength of 4.662 μm to populate the first vibrational state of the DC1 molecule. After that, the gas volume subjected to irradiation with the above wavelength is affected by laser radiation of the optical or infrared range, and the radiation intensity I must be high enough so that the ionization passes due to the tunneling effect, i.e. satisfy inequality

I > 2 α e 2 ( 2 π α λ ) 2 E 0 E α I α

Figure 00000001
, I > 2 α e - 2 ( 2 π α λ ) 2 E 0 E α I α
Figure 00000001
,

где E0 - потенциал ионизации молекулы; λ - длина волны ионизирующего излучения; α=0,529 Ǻ =0,529×10-10 м - атомная единица длины (боровский радиус); Еα=27,2 эВ =4,36×10-18 Дж - атомная единица энергии; Iα=3,51×1016 Вт см-2=3,51×1020Втм-2- атомная единица интенсивности; αe=7,23×10-3 - постоянная тонкой структуры.where E 0 is the ionization potential of the molecule; λ is the wavelength of ionizing radiation; α = 0.529 Ǻ = 0.529 × 10 -10 m - atomic unit of length (Bohr radius); Eα = 27.2 eV = 4.36 × 10 -18 J - atomic unit of energy; I α = 3.51 × 10 16 W cm -2 = 3.51 × 10 20 Wm -2 - atomic unit of intensity; α e = 7.23 × 10 -3 is the fine structure constant.

Для молекулы хлористого водорода НСl и ее изотопической модификации DC1 эта интенсивность должна превышать 4×1013 Вт/см2 при длине волны ионизирующего излучения 1,3 мкм или 1,6×1013Вт/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 DC1. Далее путем экстракции положительных ионов получают хлористый водород с повышенным, по сравнению с природным, содержанием дейтерия.For a hydrogen chloride molecule Hcl and its isotopic modification DC1, this intensity should exceed 4 × 10 13 W / cm 2 at a wavelength of ionizing radiation of 1.3 μm or 1.6 × 10 13 W / cm 2 at a wavelength of ionizing radiation of 2.0 microns. The time interval between irradiation with resonant infrared radiation and high-power laser radiation should not exceed the lifetime of the vibrational state, which depends on the pressure and temperature of the gas. Due to the tunneling effect, vibrationally excited molecules, i.e., DC1 molecules, are predominantly ionized. Then, by extraction of positive ions, hydrogen chloride is obtained with an increased, compared to natural, deuterium content.

Из зависимости на Фиг.1 видно, что в оптимальных условиях, при интенсивности лазерного излучения ~1013 Вт/см2, вероятность образования ионов DCF превышает вероятность образования ионов НС1+ больше чем на 20%.From the dependence in FIG. 1, it can be seen that under optimal conditions, with a laser radiation intensity of ~ 10 13 W / cm 2 , the probability of formation of DCF ions exceeds the probability of formation of HC1 + ions by more than 20%.

Claims (1)

Способ лазерного разделения изотопов водорода, включающий облучение исходного газа резонансным инфракрасным излучением, последующее воздействие лазерным излучением и экстракцию образованных положительных ионов, отличающийся тем, что 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 1013 Вт/см2, причем время между воздействиями резонансного инфракрасного и лазерного излучений не должно превышать время распада колебательного состояния DCl. The method of laser separation of hydrogen isotopes, including irradiating the source gas with resonant infrared radiation, subsequent exposure to laser radiation and extraction of the generated positive ions, characterized in that the source gas is hydrogen chloride (HCl), the wavelength of the resonant infrared radiation is 4.662 μm, the laser radiation range optical or infrared, and the intensity is greater than 10 13 W / cm 2 and the time between the effects of resonance and infrared laser radiation not ave to exceed the decay time of the vibrational state DCl.
RU2012154884/05A 2012-12-18 2012-12-18 Method for laser separation of hydrogen isotopes RU2531178C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012154884/05A RU2531178C2 (en) 2012-12-18 2012-12-18 Method for laser separation of hydrogen isotopes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012154884/05A RU2531178C2 (en) 2012-12-18 2012-12-18 Method for laser separation of hydrogen isotopes

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012154884A RU2012154884A (en) 2014-06-27
RU2531178C2 true RU2531178C2 (en) 2014-10-20

Family

ID=51215809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012154884/05A RU2531178C2 (en) 2012-12-18 2012-12-18 Method for laser separation of hydrogen isotopes

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2531178C2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2620051C2 (en) * 2015-10-01 2017-05-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") Method of laser separation of fluoride isotopes
RU2651338C2 (en) * 2016-10-06 2018-04-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") Iodine isotopes laser separation method
RU2652260C2 (en) * 2016-10-03 2018-04-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") Method of laser separation of lithium isotopes
RU2724748C1 (en) * 2019-11-19 2020-06-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") Method of laser separation of oxygen isotopes

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1473330A (en) * 1973-10-23 1977-05-11 Exxon Research Engineering Co Isotope separation process
US4081339A (en) * 1976-07-19 1978-03-28 Benson Sidney W Method of deuterium isotope separation and enrichment
RU2144421C1 (en) * 1998-03-10 2000-01-20 Государственное предприятие Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры имени Д.В.Ефремова Method of producing highly enriched isotope 13c
RU2201283C1 (en) * 2001-11-21 2003-03-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Маяк" Hydrogen isotopes' separation method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1473330A (en) * 1973-10-23 1977-05-11 Exxon Research Engineering Co Isotope separation process
US4081339A (en) * 1976-07-19 1978-03-28 Benson Sidney W Method of deuterium isotope separation and enrichment
RU2144421C1 (en) * 1998-03-10 2000-01-20 Государственное предприятие Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры имени Д.В.Ефремова Method of producing highly enriched isotope 13c
RU2201283C1 (en) * 2001-11-21 2003-03-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Маяк" Hydrogen isotopes' separation method

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2620051C2 (en) * 2015-10-01 2017-05-22 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") Method of laser separation of fluoride isotopes
RU2652260C2 (en) * 2016-10-03 2018-04-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") Method of laser separation of lithium isotopes
RU2651338C2 (en) * 2016-10-06 2018-04-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "ВГУ") Iodine isotopes laser separation method
RU2724748C1 (en) * 2019-11-19 2020-06-25 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") Method of laser separation of oxygen isotopes

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012154884A (en) 2014-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nakashima et al. Large molecules in high-intensity laser fields
RU2531178C2 (en) Method for laser separation of hydrogen isotopes
Lu et al. Laser-based methods for ultrasensitive trace-isotope analyses
Wang et al. Pulse-duration dependence of high-order harmonic generation with coherent superposition state
Verschuur et al. Dissociation and autoionization of the lowest doubly excited state in H2
Parvin et al. Molecular laser isotope separation versus atomic vapor laser isotope separation
JP2003053153A (en) Highly efficient separation and concentration of silicon isotopes by laser
RU2530062C2 (en) Method for laser separation of chlorine isotopes
JP4150722B2 (en) Thallium isotope separation method
RU2652260C2 (en) Method of laser separation of lithium isotopes
RU2620051C2 (en) Method of laser separation of fluoride isotopes
Chen et al. State Selective Enhanced Production of Excited Fragments and Ionic Fragments<? format?> of Gaseous Si (CH 3) 2 Cl 2 and Solid-State Analogs following Core-Level Excitation
RU2651338C2 (en) Iodine isotopes laser separation method
RU2724748C1 (en) Method of laser separation of oxygen isotopes
RU2390375C2 (en) Method for extraction of ytterbium isotope
RU2750381C1 (en) Method for laser separation of nitrogen isotopes
Williams et al. Spectroscopic study of the cycling transition 4 s [3/2] 2–4 p [5/2] 3 at 811.8 nm in Ar 39: Hyperfine structure and isotope shift
JP2000262866A (en) Atomic vaporizer isotope separation for 203 thallium and 210 lead isotopes
Niki et al. Laser isotope separation of zirconium for nuclear transmutation process
Yokoyama et al. Silicon isotope separation utilizing infrared multiphoton dissociation of Si2F6 irradiated with two-frequency CO2 laser lights
US4302305A (en) Isotope separation process
Koyano et al. Lyman Alpha Lamps and Reaction of Deuterium Atoms in the 2 P State with Molecular Nitrogen
Saquet et al. Effect of electronic angular momentum exchange on photoelectron anisotropy following the two-color ionization of krypton atoms
Campbell Atomic polarisation in molecular photodissociation
Letokhov I Laser Selective Photophysics and Photochemistry

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151219