CN1678385A - 同位素分离方法 - Google Patents

同位素分离方法 Download PDF

Info

Publication number
CN1678385A
CN1678385A CNA038209497A CN03820949A CN1678385A CN 1678385 A CN1678385 A CN 1678385A CN A038209497 A CNA038209497 A CN A038209497A CN 03820949 A CN03820949 A CN 03820949A CN 1678385 A CN1678385 A CN 1678385A
Authority
CN
China
Prior art keywords
isotope
separation
mass
column
isotopes
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
CNA038209497A
Other languages
English (en)
Inventor
D·φ·埃里克森
B·切卡罗利
Original Assignee
Scatec AS
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 Scatec AS filed Critical Scatec AS
Publication of CN1678385A publication Critical patent/CN1678385A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/281—Sorbents specially adapted for preparative, analytical or investigative chromatography
    • B01J20/282—Porous sorbents
    • B01J20/285—Porous sorbents based on polymers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D15/00—Separating processes involving the treatment of liquids with solid sorbents; Apparatus therefor
    • B01D15/08—Selective adsorption, e.g. chromatography
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
    • B01D59/10—Separation by diffusion
    • B01D59/12—Separation by diffusion by diffusion through barriers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
    • B01D59/20—Separation by centrifuging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
    • B01D59/22—Separation by extracting
    • B01D59/26—Separation by extracting by sorption, i.e. absorption, adsorption, persorption

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Medicines Containing Material From Animals Or Micro-Organisms (AREA)
  • Treatment Of Liquids With Adsorbents In General (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

本发明涉及一种同位素分离方法，即通过分离元素的自然存在的同位素混合物来获得纯同位素部分，其中采用氢作为将要同位素分离的元素的配体，在实用的温度和压力下生成的化合物是气体。更具体的，本发明涉及到一种工业规模获得纯同位素28SiH4的方法，在色谱柱中进行同位素分离。

Description

同位素分离方法
本发明涉及一种同位素分离方法，即通过分离元素的自然存在的同位素混合物来获得纯同位素部分。本发明特别涉及一种适合于工业规模应用的生产纯同位素部分的方法。本发明更特别地涉及一种工业规模获得同位素纯净的28SiH4的方法。
背景技术
在1977年半导体工业就已经创造了超过1250亿美元的产值，它的规模使其成为世界经济的发动机。几乎所有的这些产品都是由单一的原材料硅制造的。在开发以硅为基础的半导体的制造方法中，这个产业已经积累了数十年的经验，投入了数十亿的资金。
半导体工业的两个驱动器是提高性能和降低成本。这已经通过缩小芯片尺寸并同时在单个芯片上安装更多的晶体管来实现。历史上每18个月单个芯片上的晶体管数目就翻一番，这就是著名的莫尔定律(Moore’s Law)。有很多预测认为该增长的速度必然会放慢，但是目前还没有。迄今为止，工程师和科学家已经找到了克服困难的方法，继续发展。
装置缩小和高速运行的一个不可避免的结果就是提高了功率密度。然而，为了保持高的运行速度，或者更准确的保持高运行频率，运行温度必须保持在合理的范围。特别是运转温度的提高还会带来高水平的噪音以及由此引起的错误运行水平。长期以来这个问题可以通过采用比硅具有更高的导热系数和/或其他有利性质的材料来解决。但是，由于半导体工业在现有的生产线上已经投入了如此巨大的经验和资金，在半导体工业上的任何材料革新都应该建立在现有的丰富的硅的知识和制造的基础上，而不是代替它。这方面的一个例子就是比硅性能更好的材料砷化镓，由于必须投入数亿元的资金在世界范围内更新制造基础设施，因而不能代替硅。
因此，为了进一步提高下一代集成电路的能力，即提高密度和运行频率，必须将硅产生的热量更快、更有效的散发出来。到目前为止，这个问题已经通过“变薄”来解决，比如把处理器做得更薄和/或安装散热片和机载鼓风机等，来提高散热速率。实际上，这个解决方案只能应用在能耗低于110-120W的处理器上，而这样的能耗水平预计约在2001年达到。据我们所知，进一步提高散热速率的唯一实践上可行的解决方案是在处理器上引入闭环冷却系统。但是，该冷却系统往往比处理器本身更昂贵，因而不是一个满意的解决方案。
因此，看起来对多余的热量问题的解决方案应该从怎样引导热量散发转换到怎样避免热量产生上来。
产生热量的原因是处理器中硅材料的电阻。19世纪40年代早期人们就已经发现某些元素的导热性能取决于该元素的同位素组成。比如，在钻石中添加1.1％的13C-同位素，其导热性能下降了30％，这在1958年就得到了确认。Capinski等人[1]和[2]最近说明，纯同位素28Si的导热性能在室温下比具有天然的同位素组成的硅的导热性能至少强60％，在-170℃的温度下超过250％。同位素混合的金属具有更高的热阻的原因是因为不同的同位素具有不同的振动状态。因此，如果采用单一的同位素硅，就会极大的简化整个晶体结构中的振动(声子)光谱，因此可以显著地提高导热性能[1和2]。微处理器的一个主要制造商以Capinski等人的发现为基础，模拟了纯同位素28Si晶片，计算出1GHz的微处理器的最高温度可以降低35℃。热量产生速率的这种实质性降低克服了产业上的障碍，并且使得已经采用了的、便宜的安装散热片和机载鼓风机的解决方案在将来还能采用。
采用纯同位素硅的另外一个优势是纯同位素硅还是硅。从化学角度来说，它们和“天然的硅“几乎完全相同，可以容易的用于现有的制造工艺中，而无需改变电子装置的生产线。另外一个幸运的事实是自然存在的硅包含三种稳定的非放射性的同位素，其中28Si是最丰富的(～92％)，另外两种29Si和30Si分别约占5和3％。因此，同位素分离的一大部分已经由自然的力量完成了，比起其他的具有更均等的同位素组成的原料来说，去除其他两种相对较少的同位素部分是相对容易的。
因此总之，纯同位素28Si代表了一种很有希望并且容易实施的解决高性能硅芯片中多余热量的方案。
现有技术
从化学的角度来说，同位素基本上是相同的，同位素分离必然要包括质量分离方法。有很多可能的质量分离的物理方法。一些是自然发生的，但是为了使质量比有较大的提高，开发了复杂的方法。采用的主要方法基于下列一个或多个概念：质量扩散、膜、蒸馏、电解、电磁、离心、分离嘴、激光选择性激发、离子迁移、化学交换和色谱。
决定采用何种方法的因素取决于生产的规模。对于实验室和小规模工厂，灵活性和低成本是重要的，热扩散柱是优选的方法。对于轻元素，蒸馏和化学交换是适用于大规模分离的最经济的方法，反之对于重元素，气体扩散和气体离心是最经济的方法。
总的来说，目前在工业生产中商业化运作的同位素分离方法只有两种：
-气体离心，其中物质部分被离心力分离，和
-通过膜的气体扩散，其中较轻的同位素通过膜扩散得较快，从而实现分离。
传统上，大规模的生产元素的纯同位素部分在下列领域得以运用：
-重水用于例如加拿大重水铀反应堆的核电站、中子缓冲剂、或作为试剂用于氘化物的合成。在最近50年，聚变能(包括氢弹和和平聚变)的发展推进了对2H和3H(D和T)的研究。这是因为这些核素是聚变反应中的关键成分： 。
-聚变也是对锂感兴趣的原因之一。使用LiD代替D2将气体转化成固体材料。而且， ，因而产生用于进一步聚变的氚。最丰富的锂同位素7Li(92.6％)对于中子有非常低的吸收截面积，因此可以用作中子反射体。因此，所有的稳定的锂同位素都具有商业价值。
-中子监测器需要对中子具有高度亲和力的吸收材料，并很容易地对生成的瞬发辐射进行检测。两种气体监测器占支配地位：3He和10BF3。反应分别是： ，其中所有的产物核子离子化气体产生有记录的放电； ，其中4He是离子化的核素。因此，纯同位素3He和10B有一个标记。中子在产业中用作氢传感器。因此，中子源和监测器用来测试木材和纸的湿度、油井中包含岩层的石油等。
-在同位素分离中铀是研究得最多的元素。这当然是由于其作为核燃料和在核弹中的应用。裂变同位数是235U(自然丰度0.720％)，而238U是最丰富的同位素(99.275％)。同位素分离通常以UF6的扩散为基础，UF6在高于56℃时为气体。
-在核废料的回收中，从1H2O中选择性的分离3H1HO很重要，因为它减少了需要处理的放射性水的数量。超铀元素的分离，特别是例如钚的分离，在核废料的回收中也是一个重要的课题。在混合氧化物燃料(MOX)中，235U和239Pu都用作裂变源。由于238Pu是中子吸收者，因此从239Pu中分离出238Pu就非常重要。
-另外，其他的纯同位素元素例如13C，在科学研究和医学上也有广泛的用途。
俄克拉荷马夸保(Quapaw，Oklahoma)的Isonics公司和Eagle-Pitcher已宣布建立制备纯同位素28SiF4的试验工厂。必须随后将该产品化学转化为SiF4才能应用到半导体工业中。
对所有这些采用纯同位素的领域很普遍的是，质量分离的同位素都很昂贵。这可能是由于在所有这些领域中都存在着需求，而几乎不用考虑纯同位素的价格。因此，没有产生一个足够强的驱动力来获得便宜的大规模的生产质量分离的同位素的方法。同时，同位素的质量差相当低，因此，需要很多连续的分离阶段，导致了成本和能耗的提高。
然而，在半导体工业中用纯同位素28Si代替自然存在的同位素硅情况下，对纯同位素28Si硅晶片的追加成本有一个最高限制。该追加成本必须明显低于在常规晶片上装备闭环冷却系统带来的追加成本，这是为了与该已经执行的解决方案进行竞争。而且，已经证明这些成本对价格相对敏感的半导体过高。因此，采用更便宜的同位素质量分离生产方法、特别是从自然存在的Si中质量分离出28Si，已经成了普遍的需要。
已知的最好的、或许是唯一的可以用来分离同位素的性质就是质量扩散常数，因为同位素具有几乎相同的化学性质。为了获得足够有效的物质分离方法，必须使用气体化合物，因为气体的扩散能力比液体大得多。这也许就是为什么涉及金属的同位素分离方法传统上集中在使用氟作为配体，因为很多金属只有和该配体结合才能形成气体化合物。
发明目的
本发明的主要目的是提供一种能克服上述问题、大规模质量分离同位素的方法。
本发明的另一目的是提供一种从自然存在的Si中大规模质量分离28Si的方法，该方法比现有的方法更有效和便宜。
发明描述
本发明目的可以通过下述附加的权利要求和说明书来实现。
本发明的方法基于质量扩散常数与分子/原子的质量平方约成反比例这样一个认识，因此将要分离的化合物越轻，不同同位素的扩散系数的差别就越大。因此，应该在实用的温度和压力下，采用尽可能轻的、充分单同位素的配体以和要进行同位素精制的元素形成气体化合物。术语“实用的温度”是指工艺设备可以运行的任何温度。
可能的最轻的配体是氢。和传统上采用的卤素(特别是氟)相比，该元素不但非常轻，与对电子和半导体工业有用的元素形成气体化合物，而且其几乎以单同位素1H的形式天然存在，只有不到0.015％的2H(通常用“D”来表示)。低含量的D没有引起严重的问题，因此上述的性质都是有益的，使得氢成为获得本发明目的的理想配体。
降低重量的效果通过比较Isonics公司的上述传统方法中相应的实际质量差显示出来，28SiF4和29SiF4之间的质量差是(29-28)/(29+76)＝0.00961，28SiH4和29SiH4之间的质量差是(29-28)/(29+4)＝0.030303。在提纯硅的同位素时如果用氢取代氟，实际的质量差将增加300％多，因此，以SiH4为基础的质量分离方法的效率约为传统的以SiF4为基础的质量分离方法的效率的三倍。在供应电子和半导体产业时的另一个有益的特征是SiH4通常用作形成半导体的半导体层和绝缘层的原材料。因此，同位素精制的化合物可以直接应用到半导体生产线，而不需要对原料进行任何化学转换。
在实用的温度和压力下可以形成气体氢化物的元素是：B，N，C，O，F，Si，P，S，Cl，Ga，Ge，As，Se，Br，Sb，Te和I。其中F，P，As和I是单同位素，因此不是同位素分离的主题。有用的气体化合物相应为：B2H6，NH3，CH4，H2O，SiH4，H2S，HCl，Ga2H6，Ge2H6，H2Se，HBr，H2Sb和H2Te。实际上，氢本身就是一种用于同位素分离的令人关注的元素，特别是考虑到在核材料的应用。所讨论的化合物、同位素清单以及相应的丰度见表1。表2列出了化合物的物理性质。所谓实用的温度和压力指的是大约在0.25-100巴的压力、大约-195到+400℃的温度，优选0.5-10巴的压力和-195到+100℃的温度。
                                                       表1气体氢化物、同位素和含量
 化合物  原子序数                                        同位素(质量数，A)和丰度(I以％计)
A I A I A I A I A I A I A I A I
 H2  1  1  99.985  2  0.015
 B2H6  5  10  20.0  11  80.0
 CH4  6  12  98.90  13  1.10
 NH3  7  14  99.63  15  0.37
 H2O  8  16  99.762  17  0.038  18  0.200
 SiH4  14  28  92.23  29  4.67  30  3.10
 H2S  16  32  95.02  33  0.75  34  4.21  36  0.02
 HCl  17  35  75.77  37  24.23
 Ga2H6  31  69  60.1  71  39.9
 Ge2H6  32  70  20.5  72  27.4  73  7.8  74  35.5  76  7.8
 H2Se  34  74  0.9  76  9  77  7.6  78  23.5  80  49.6  82  9.4
 HBr  35  79  50.69  81  49.31
 H2Sb  51  121  57.3  123  42.7
  H2Te   52   120   0.096   122   2.6   123   0.908   124   4.816   125   7.14   126   19   128   31.69   130   33.8
用氢作为配体的发明思想可以在所有已知的传统的同位素分离方法中运用，包括但不限于目前在工业规模中使用得最普遍的气体离心和通过膜扩散的同位素分离方法。氢化物的许多物理和化学性质当然和传统上采用的氟化物的相应性质不同，因此，有必要调整工艺参数，如温度、气体压力、膜材料的化学亲和力等。
在采用惰性载气的情况下，发现将要同位素分离的化合物分子和载气的分子质量的质量比是特别重要的。也就是说，为了在每一个工艺步骤中获得最高的分离度，质量比应该尽可能高(载气应该有最高的分子质量)。这是因为在弹性碰撞中存在这样一个事实，最轻的参与者获得最剧烈的运动。由于正在寻求基于质量扩散的最佳分离效果，人们应该力求尽可能的提高将要同位素分离的分子的扩散运动。这意味着采用重的惰性载气。
                            表2氢化物的某些物理性质
  化合物   原子序数   摩尔质量(g/mol)   熔点(℃)   沸点(℃)  偶极矩(10-30Cm)
  H2   1   2.0158   -259.14   252.8  0.0
  B2H6   5   27.67   -165.5   -92.5  0.0
  CH4   6   16.04   -182   -164  0.0
  NH3   7   17.03   -77.7   -33.35
  H2O   8   18.0153   0   100
  SiH4   14   32.12   -185   -111.8  0.0
  H2S   16   34.08   -85.5   -60.7
  HCl   17   36.46   -114.8   -84.9  3.60
  Ga2H6   31   145.49   -21.4   139  0.0
  Ge2H6   32   151.23   -109   29  0.0
  H2Se   34   80.98   -60.4   -41.5
  HBr   35   80.92   -88.5   -67.0
  H2Sb   51   124.77   -88.5   -17.0
  H2Te   52   129.62   -48.9   -2.2
除了工业规模上传统采用的方法外，比如气体气旋和膜扩散，预计扩散色谱将非常适合在工业规模上实现本发明的思想。到目前为止，该方法对大规模应用而言非常昂贵，仅仅用于小规模的分离。然而，只要正确的结合载气、柱填充材料、推进压力以及温度，基于柱的扩散就会极大的提高单位能耗的分离阶段数量，因此是一个可供选择的便宜方案。
附图简要说明
图1表示氩和硅烷分离的例子。作为窄脉冲将气体同时注入。在这种情况下粒子是氢2。载气是氦，氩和硅烷之间的比率是95∶5。
图2的a)部分表示包含“氢3”粒子的10m柱检测更快对流流动的效果的曲线图，载气是He，温度是30℃，流量是0.85mL/min。b)部分显示了作为数据记录时间的函数的质量比的结果。
发明详述
本发明将参照优选的实施例进行更加具体的描述，采用色谱柱从29SiH4和30SiH4中同位素分离出28SiH4。然而，本发明的方法可以用于表1或2中的任何其他化合物的同位素分离中。
通过色谱柱分离不同种类的化学物类已得到非常广泛的应用，对一般技术人员而言是非常清楚的。因此，没有必要对其再进一步的描述。
但是，为了验证本发明能采用色谱技术来大规模分离同位素，按照下述的试验方法采用色谱柱进行同位素质量分离的一系列测试：
试验过程
为了安全起见，在进入色谱柱之前优选将容易爆炸的、自燃性的硅烷气用氩稀释。硅烷的浓度应该在5-10％之间，从AGA购买一瓶在氩中的浓度为5％的10L硅烷，作为原料混合物。
将等分试样装入50mL钢瓶中的GC-MS，从钢瓶处充满上样环(injection loop)。采用的单分散粒子如表3所示。Dyno Particles为Dynospheres的生产商，生产的粒子的价格对工业过程来讲过于昂贵，因此将集中在Hydro Particles生产和提供的粒子上。另外，柱由内径为1/16或1/8英寸的不锈钢管制成。除了一根检测柱长效果的是30m以外，所有的柱都约为10m长。
检测工作目的在于测试下列参数的影响：
-填充材料：孔隙率、组成、填充密度
-温度
-压力，例如载气的流速
-载气
色谱柱的制备
通过CO2-超临界抽气泵释放的液态CO2在压力为300巴、液体流速为0.1-0.2ml/min下将粒子压进管内，超临界抽气泵为带有ISCO SFX200控制器的ISCO型260D注射泵。填充过程中，管子浸没在超声波浴中。填充以后，缓慢释放压力以免粒子逃逸。
为了避免粒子泄漏，在每一个末端安装一个VALCO过滤器。(第二个在填充以后安装)。
在GC-MS上安装柱子后，导入氩来除掉残留的CO2和空气。CO2，O2和N2的含量通过质谱仪进行监控。
表3测试的填充材料的性质。所有的粒子都是单分散的。
DVB＝二乙烯基苯，PS＝聚苯乙烯，PA＝聚丙烯酸酯，NK＝未知。
粒子制造商 种类符号 聚合物   粒子尺寸(μm) 孔隙率(％) 面积(m2/g)
  Dynospheres   EXP-PD   DVB-PS   21.1   65   NK
  Dynospheres   EXP-SS   DVB-PS   10.1   NK
  HydroParticles   氢1   DVB-PS   20
  HydroParticles   氢2   DVB-PA   20   70   233
    HydroParticles     氢3  DVB-PA     20     70     148
    HydroParticles     氢4  DVB-PA     20     52.5     236
分析过程
对于任何同位素分离而言，必须将柱输出和质谱仪结合起来以实现直接和连续的测量。气相色谱仪和质谱仪是Hewlett-Packard 5890系列II GC和5971A质谱选择检出器。它由HP ChemStation数据采集系统控制，用作柱输出的连续的记录器。
这种类型的质谱仪中的离子源使硅烷离子化，产生如下质量分布：SiH3 +，SiH2 +，SiH3+和Si4+，即质量在28-33之间。来自O2的背景影响，即质量为32，和来自N2的背景影响，即质量为28，成为问题。然而，可以发现29Si在质量29中的影响是响应的4.8％，因此质量33肯定独自代表了30SiH3 +。因此，为了避免来自N2(质量28)和O2(质量32)的背景影响，分析集中在质量29和33以及它们的比例上。
数据分析按照下述进行：
1.用APT制作的EasyQuan程序来测定保留时间和峰宽。该程序还用来压缩光谱、以Microsoft Excel可以接受的格式输出经过处理的数据。
2.将数据输入Excel流程图，减去背景，然后计算出质量比率光谱。
3.将净光谱输入到Microcal Software的测绘包Origin。测绘所关心的波峰区域，调整脉冲到高斯形状(Gaussian shape)。
4.如果33和29之间的质量比显示出非固定的时间依赖性，进行非对称性的调整。
结果
结果显示使用色谱柱来分离同位素非常适合于工业规模生产。结果分为两部分。首先，表明载气和将要同位素分离的硅化合物在柱中进行了充分的化学分离，因此不存在产品被载气污染的问题。其次，显示本发明的同位素分离方法有令人满意的结果，允许在工业规模中采用色谱分离技术。
化学分离
图1显示了硅烷-和氩的作为保留时间函数的响应的曲线图。该图显示了硅烷相对于氩被保留，因此，简单的通过从带有合适的空隙材料的柱中移动该气体混合物来从氩中分离硅烷是可能的。所有来自Hydro Particles的粒子都显示了这一效果。对硅烷的保持是出乎意料的，因为氩比硅烷重，因此预计其通过柱移动得比较慢。因此，保留不具有运动学性质，而必须是由于多孔材料和硅烷之间的分子相互作用。
表4概括了用不同的粒子获得的氩和硅烷的保留测量结果。还报告了定义为在1/10峰高(FWTH)时的(全)宽度的脉冲宽度。这是通过采用EasyQuan中专门为该目的设置的一个选项来测定的。
表4测量的保持时间和峰宽。NA表示不适用的。
脉冲不对称的情况下，保留时间根据反应曲线的顶端进行计算。
 粒子   符号       测试参数   载气      保留时间        FWTH
  温度(℃)   流速(mL/min)   Ar(min)   SiH4(min)   Ar(min)   SiH4(min)
 Dynospheres   EXP-PD   30   0.3   He   51.2   12.0   165.5   16.7
  30   0.3   Ar   NA   175.8   NA   13.9
  0   -   Ar   NA   303.8   NA   29.0
  -10   -   Ar   NA   377.7   NA   37.3
 HydroParticles   1   30   0.60   He   溢出   76.5   NA   11.2
  1-30m   30   0.35   He   494   1400   65.7   175.2
 HydroParticles   2   30   0.25   He   148.7   429   35.2   280.3
 HydroParticles   3   50   0.35   He   80   138.3   23.0   58.3
  30   0.35   He   75   175.8   -   27.1
    30     0.35  He     75  177.4  -  26.5
    30     0.85  He     60  140.0  -  18.0
  HydroParticles     4     30     0.4  He    173.1  764.8  41.7  137.6
质量分离测试
从概念上说，有两种可以将同位素质量分离显示出来的方法；根据由于不同的同位素质量而造成的速率不同和和扩散系数的不同，但不是在对流流动模式中。如果预计前者效果应用在质量峰的不同位置，而在后一种情况下，这种效果将显示为质量响应宽度的区别。
所有柱都通过若干次硅烷脉冲测试，以保证稳定的运转。大部分柱都在一个以上温度下进行测试。选择的参考温度为30℃，也就是略高于环境温度。
图2为质量29和33的响应以及其质量比率分配的例子。图中，横坐标代表开始记录数据时的保留时间。实际保留时间见表4。高斯拟合(Gaussian fit)也表示在图中。如表4所示，大部分测试都是在温度为30℃、流速为0.35mL/min下进行的。某些情况为在其他的温度和流速下进行。
从图2的b)部分可以看出，质量比—质量33/质量29有一个最高峰，或者从单一硅烷脉冲末端的0.100增加到脉冲中部的0.125。这和同位素28SiH4与30SiH4之间的质量分离因素1.09相对应。
类似的在两种不同温度下检测到的氢3粒子的结果概述于表5中。也测试了表4中其他类型的粒子，但是分离程度低，没有在此显示。
表5中的分离因素计算为从下限到上限的整个响应的质量响应曲线的积分。
因此，积分范围越小，产量越小。为了计算从92.23％富集28Si所需要的步骤的数目，我们使用几何级数：
I 28 0 I 30 0 ( α 30 28 ) n = I 28 n I 30 n ⇒ n = ln ( I 28 n I 30 n I 30 0 I 28 0 ) / ln α 30 28
其中，上标0代表常规同位素比率，上标n代表n步骤后的同位素比率。
假定分离系数为1.10，要得到纯度为99.9％的28Si，我们大约需要38个步骤。这是相当低的步骤数目，相比而言，以重配体如氟为基础的传统的同位素分离方法可能需要数千个步骤才能获得足够纯度的同位素部分。因此，这也显示了本发明在工业规模同位素分离中可以得到很好的运用。
表5的结果证实了色谱柱在大规模的同位素分离中可以得到很好的应用。测试还显示了为了优化本发明工艺，应该利用下列一般因素：
-应该采用单分散粒子填充。这是因为单分散粒子减少了流体的分散，从而提高了扩散的效果。
-柱尽可能长，从大约10米到更长。30米的柱比10米的柱运行的更好。
-温度应尽可能的高，50℃下进行的测试比30℃时运行的测试分离度更好，和
-粒子应该多孔同时有低的表面积。
最后，柱的通过量由横截面面积决定。为了提高产量，不同的柱的横截面越小，柱就有越高的步骤数目。假定产量为10％，相邻两根柱的横截面之间的适宜的比率是√10＝3.16。
通过色谱柱的同位素分离有必要包括很多重复的连续的循环来获得高分离度，每一个循环包括将硅烷和氩气送穿过色谱柱。这个可以通过收集一根柱出口的气体输入到下一根柱中(串联)，或者在一根柱上装配具有重复利用能力的装置，使得硅烷气可以被多次送入同一根柱中。
表5模型拟合结果。D是扩散常数，v是线速度。D和v都是通过拟合参数计算得到的。30和50℃时28Si对30Si的选择性系数(分离因素)计算在右边第二栏中。计算中使用了来自氢3的值。
  压力(巴) 温度(℃) 质量   D(m2/s)   v(m/s)   积分范围(分钟)下限上限   分离因素α   产量28Si
0.5 30     3332313029   5.132E-065.423E-065.221E-065.311E-065.483E-06   0.0009370.0009350.0009370.0009370.000937     165165165165165     177176175174173     1.0111.0341.0681.1151.177   0.3520.1990.0940.0370.012
0.5 50     3332313029   8.148E-068.597E-068.345E-068.542E-068.838E-06   0.0012010.0011990.0012010.0012010.001202     135135135135135     142141140139138     1.0141.0521.1131.2111.335   0.3740.1960.0820.0270.007

Claims (11)

1.一种同位素分离方法，利用同位素的质量扩散率的差别来提纯同位素混合物中的某一特定同位素，使天然的同位素混合物在一个循环中通过扩散和可选地对流在质量流中流经某一介质，以获得同位素部分，使得所需要的同位素富积在质量流的一个部分中，收集质量流中该富积的部分，并将其送入另一循环中以获得具有更高含量的所需要的同位素的部分，重复该循环，直至所需要的同位素已充分富积，其特征在于，使用氢作为将要分离的元素的配体，氢和将要分离的元素在实际的压力和温度下以气体化合物的形式使用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在从29Si和30Si中同位素分离出28Si的情况下，所述气体氢化物是硅烷，SiH4。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体氢化物为B2H6，NH3，CH4，H2O，H2S，HCl，Ga2H6，Ge2H6，H2Se，HBr，H2Sb和H2Te中的一种，以分别获得B，C，O，S，Cl，Ga，Ge，Se，Br，Sb和Te的纯同位素部分。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述气体氢化物通过膜的质量扩散进行分离。
5.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于所述气体氢化物通过气体气旋中的超速离心进行分离。
6.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述气体氢化物通过质谱柱的质量扩散进行分离。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述质谱柱采用单分散聚苯乙烯粒子进行填充。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述单分散聚苯乙烯粒子由含有二乙烯基苯和聚丙烯酸酯的混合物制成。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述单分散聚苯乙烯粒子的尺寸为20μm，孔隙率70％，表面积148m2/g。
10.根据权利要求7-9任一所述的方法，其特征在于，所述载气是氩。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，色谱柱中的氩气压力是0.5巴，温度是50℃。
CNA038209497A 2002-07-05 2003-06-26 同位素分离方法 Pending CN1678385A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO20023278 2002-07-05
NO20023278A NO319447B1 (no) 2002-07-05 2002-07-05 Fremgangsmate for separasjon av isotoper

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN1678385A true CN1678385A (zh) 2005-10-05

Family

ID=19913809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA038209497A Pending CN1678385A (zh) 2002-07-05 2003-06-26 同位素分离方法

Country Status (10)

Country Link
US (1) US7309377B2 (zh)
EP (1) EP1521630B1 (zh)
JP (1) JP2005532155A (zh)
CN (1) CN1678385A (zh)
AT (1) ATE415193T1 (zh)
AU (1) AU2003245179A1 (zh)
DE (1) DE60324929D1 (zh)
NO (1) NO319447B1 (zh)
RU (1) RU2318582C2 (zh)
WO (1) WO2004004871A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104803684A (zh) * 2014-01-24 2015-07-29 揖斐电株式会社 陶瓷结构体

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5097905B2 (ja) * 2006-04-04 2012-12-12 国立大学法人 熊本大学 同位体を分離・濃縮するための方法及び該方法に使用するロータ
RU2390491C2 (ru) * 2007-05-08 2010-05-27 Вудфорд Ассошиэйтс Лимитэд Способ и установка для производства легкой воды
WO2010018422A1 (en) * 2008-08-14 2010-02-18 Novasep Process for the enrichment of isotopes
EP2302372A1 (en) * 2009-09-18 2011-03-30 Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt GmbH Method and device for repetitive chemical analysis of a gas flow
DE102013013197A1 (de) * 2013-08-09 2015-02-12 Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Verfahren und Vorrichtung zum kryogenfreien Aufkonzentrieren eines hyperpolarisierten Gases in einem kontinuierlich fließenden Gasstrom und Verwendung
US10005033B2 (en) * 2015-04-29 2018-06-26 Pacific Environment Technologies, LLC Isotopic enrichment of helium-3 through glass
CN113262636B (zh) * 2020-02-14 2024-04-05 中国科学院青海盐湖研究所 一种萃取-电迁移耦合分离富集7Li同位素的方法
CN113786737B (zh) * 2021-08-12 2023-07-11 中国工程物理研究院材料研究所 一种可规模化筛选含同位素液体分离膜的方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4010100A (en) * 1975-10-03 1977-03-01 The United States Of America As Represented By The United States Energy Research And Development Administration Isotope separation by photochromatography
JPS61107927A (ja) * 1984-10-31 1986-05-26 Osaka Gas Co Ltd 重炭素メタン濃縮法
US4732581A (en) * 1986-05-08 1988-03-22 Cheh Christopher H Gas chromatographic method for separating hydrogen isotopes
US4780116A (en) * 1987-11-20 1988-10-25 Cheh Christopher H Low temperature preparative gas chromatography apparatus
CA2110343C (en) * 1992-12-14 1999-08-24 Christopher Huk-Shi Cheh Gas chromatographic method
US6146601A (en) * 1999-10-28 2000-11-14 Eagle-Picher Industries, Inc. Enrichment of silicon or germanium isotopes
RU2155158C1 (ru) * 1999-10-07 2000-08-27 Институт химии высокочистых веществ РАН Способ получения моноизотопного кремния si28
JP2001199792A (ja) * 2000-01-14 2001-07-24 Komatsu Electronic Metals Co Ltd シリコン２８の純度が高いシリコンインゴット及びウエハ
RU2170609C1 (ru) * 2000-02-17 2001-07-20 Закрытое акционерное общество "ЭЛЛИНА-НТ" Способ разделения кремния на фракции, обогащенные тяжелым и легким изотопами
US20030039865A1 (en) * 2001-06-20 2003-02-27 Isonics Corporation Isotopically engineered optical materials
JP5097905B2 (ja) * 2006-04-04 2012-12-12 国立大学法人 熊本大学 同位体を分離・濃縮するための方法及び該方法に使用するロータ
RU2390491C2 (ru) * 2007-05-08 2010-05-27 Вудфорд Ассошиэйтс Лимитэд Способ и установка для производства легкой воды

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104803684A (zh) * 2014-01-24 2015-07-29 揖斐电株式会社 陶瓷结构体

Also Published As

Publication number Publication date
DE60324929D1 (de) 2009-01-08
ATE415193T1 (de) 2008-12-15
WO2004004871A8 (en) 2004-04-22
RU2318582C2 (ru) 2008-03-10
NO319447B1 (no) 2005-08-15
US20050247195A1 (en) 2005-11-10
EP1521630A1 (en) 2005-04-13
RU2005101742A (ru) 2005-10-10
AU2003245179A1 (en) 2004-01-23
US7309377B2 (en) 2007-12-18
JP2005532155A (ja) 2005-10-27
EP1521630B1 (en) 2008-11-26
WO2004004871A1 (en) 2004-01-15
NO20023278D0 (no) 2002-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2326408B1 (en) Process for the enrichment of isotopes
Friedmann et al. Theory of Shifts of Vibration—Rotation Lines of Diatomic Molecules in Noble‐Gas Matrices. Intermolecular Forces in Crystals
CN1678385A (zh) 同位素分离方法
Ban et al. Chromatographic separation of lithium isotopes with silica based monobenzo-15-crown-5 resin
CN101680712A (zh) 提纯并分离重组分浓缩物同时得到轻气体同位素的方法和装置
JPS59112825A (ja) ガス混合物に含まれる水素の同位体を分離する装置
Kostanyan et al. Pulsed cyclic device for liquid countercurrent chromatography
Ban et al. Isotope effects of zinc in crown ether chromatography
Kurihara et al. Tritium isotope separation by multiphoton dissociation of CF3CTCIF
Kharitonov et al. Modern sulfocationites for separation of lanthanides and transplutonium elements partitioning via displacement complexing chromatography
Chakravarty et al. Polymer embedded nanocrystalline titania: a new generation sorbent for the separation of 77 As from Ge for biomedical applications
XIONG et al. Adsorption of ytterbium (III) from aqueous solution by SQD–85 resin
Kotoh et al. Breakthrough curve analysis of pressure swing adsorption for hydrogen isotope separation
Okumura et al. Recent studies on Ca isotope separation by Crown-Ether resin chromatography
Rozenkevich et al. Separation of Tritium-Containing Isotopic Mixtures of Hydrogen in the Gas–Solid System. Review
Shams et al. Dynamics of reactive chromatographic columns of inert core/hollow/film coated spherical packing: An analytical solution and applications
Ding et al. Nitrogen isotope enrichment for nitride fuel by using hybrid chemical exchange process
Alekseev et al. Experimental results of hydrogen distillation at the low power cryogenic column for the production of deuterium depleted hydrogen
Ding et al. High enrichment of 15N by chromatographic chemical process
Sonoda et al. Boron isotope fractionation in column chromatography with glucamine type fibers
Gonçalves et al. Dissolution and ion exchange operations-mathematical modelling in a {sup 99} Mo production process for medical purposes
JP4953274B2 (ja) 分子回転周期差を利用した同位体の分離方法
CN115090383A (zh) 一种高纯低放射性球形硅微粉制备方法
Backes et al. Effects of void size and fiber alignment on void mobilization
Eriksen A review of isotope separation methods of importance to separation of silicon isotopes and isotopes of other light elements

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: SILICON ISOTOPE CO., LTD.

Free format text: FORMER OWNER: SCATEC AS

Effective date: 20060721

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20060721

Address after: Christie sandy land in Norway

Applicant after: Silicon isotope Co Ltd

Address before: Norway Marriott

Applicant before: Scatec AS

AD01 Patent right deemed abandoned

Effective date of abandoning: 20051005

C20 Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned