DE102011000908B4

DE102011000908B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Gasphasentransport von Metallelementen

Info

Publication number: DE102011000908B4
Application number: DE102011000908A
Authority: DE
Inventors: Christoph Düllmann; Jan Dvorak; Matthias Schädel; Andreas Türler; Julia Even; Jens Volker Kratz; Lorenz Niewisch; Norbert Wiehl; Alexander Yakushev
Original assignee: Scherrer Paul Institut; Technische Universitaet Muenchen; GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Current assignee: Paul Scherrer Institut Psi Ch; Technische Universitaet Muenchen; GSI Helmholtzzentrum fuer Schwerionenforschung GmbH
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: WO2012113877A8; EP2678273A1; DE102011000908A1; WO2012113877A1

Abstract

Verfahren zum Bereitstellen von Metallelementen in gasförmiger Phase in einem Trägergas, wobei das Trägergas molekulares Kohlenstoffmonoxid enthält, wobei das Trägergas und die Metallelemente in einem Reaktionsvolumen (58) zusammengeführt werden, und wobei die Metallelemente und das Kohlenstoffmonoxid zu Metallelement-Carbonyl-Komplexen synthetisieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Transport von Metallelementen in gasförmiger Phase.
Hintergrund der Erfindung
Die Beobachtung der chemisch-physikalischen Eigenschaften von verschiedensten Elementen geschieht zunächst durch die Beobachtung von deren molekularen Eigenschaften. Gerade zur Synthese neuartiger chemischer Verbindungsklassen von Transactinoiden und anderen Elementen des Periodensystems, wie Übergangsmetalle und Elemente der d- und p-Gruppen, ist es in der Regel nicht möglich, einen makroskopischen Feststoff- oder Flüssigkörper zu beobachten, sondern man beobachtet unter Umständen das Verhalten von einzelnen Atomen und Molekülen.
Zur Erzeugung dieser Elemente des Periodensystems ist es ein brauchbarer Weg, einen Körper aus einem Material, insbesondere einem Festkörper als Target zu verwenden und dieses Target mit einer Strahlung zu aktivieren. Je nach der zur Verfügung stehenden Strahlungsquelle und dem Element, welches hauptsächlich erzeugt werden soll, wird das Targetmaterial ausgewählt und der Strahlung ausgesetzt, wobei durch Kernreaktionen schließlich die gewünschten Elemente entstehen. Beispielsweise können thermische Neutronen verwendet und eine neutroneninduzierte Kernspaltung hervorgerufen werden, wie dies z. B. am Forschungsreaktor TRIGA Mainz an der Johannes Gutenberg Universität in Mainz, Deutschland, möglich ist.
Beschleunigereinrichtungen, beispielsweise die der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt, Deutschland (im Folgenden GSI), können ebenfalls eingesetzt werden. Zur Erzeugung von Elementen mit unterschiedlicher Masse, beispielsweise zur Erzeugung von Metallelementen, beispielsweise von Übergangsmetallen, kann ein Ionenstrahl eines Linearbeschleunigers, eines Synchrotrons, beispielsweise des Schwerionenstrahls der GSI, oder eines Zyklotrons auf ein ausgewähltes Target geschossen werden.
Die Vermessung, Verwendung und Nutzbarmachung der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Metallelemente ist dabei äußerst schwierig, da die Metallelemente teilweise sehr kurzlebig sind. Ferner neigen manche Metallelemente stark dazu, an allen physikalischen Objekten, wie beispielsweise einer Umwandung, beispielsweise durch Adsorption anzuhaften.
Darüber hinaus ist es aufgrund der oft extremen Strahlungsbelastung, bedingt durch bei der Erzeugung der Metallelemente ablaufende Kernprozesse, schwierig bis unmöglich, am Ort der Entstehung der Metallelemente ihre Eigenschaften zu vermessen oder zu benutzen. Deshalb ist es zweckmäßig, wenn die Metallelemente vom Ort ihrer Entstehung abtransportiert werden können.
Insbesondere kann es von Interesse sein, refraktäre Metallelemente von einem Ort zu einem anderen Ort zu transportieren, ohne diese durch Adsorption zum Beispiel an einer Wand einer Kammer, beispielsweise einer Reaktionskammer oder Vakuumkammer, in der die Metallelemente erzeugt werden, oder an einer Transportleitung beim Transportprozess zu verlieren.
Bisherige Verfahren, die einen Transport von Metallelementen ermöglichen, benötigen für ihre Durchführbarkeit teils extreme Umgebungsbedingungen in Druck und Temperatur. Die Beherrschung dieser Bedingungen ist neben den ohnehin extremen Erzeugungsbedingungen der Metallelemente oftmals so schwierig, dass dadurch die Ausbeute gering wird, so dass ein Mess- oder Anwendungsverfahren nicht durchführbar ist, schwieriger ist oder zumindest länger dauert.
Bei einem vielfach eingesetzten Verfahren wird ein Cluster-Gasjet verwendet, wobei einem Inertgas Aerosolcluster aus festen oder flüssigen Stoffen wie beispielsweise Kaliumchlorid, Bleijodid, Kohlenstoff oder Molybdäntrioxid, Latex, Öl oder Wasser beigefügt wird, wobei die refraktären Elemente sich an die Aerosolcluster anlagern und auf diese Weise mit den Aerosolteilchen im Gasfluss transportiert werden. Zum Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass es nicht selektiv arbeitet und außerdem keine konstante Ausbeute aus dem Cluster-Gasjet gewährleistet werden kann. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass sich während des Betriebs die Aerosolteilchen an einigen Stellen im System anlagern und dadurch die Systemeigenschaften nachteilig beeinflusst werden können. Für eine weitere Verwendung wäre eine Trennung der refraktären Elemente von den Clustern notwendig. Dies ist schwierig, energieintensiv und zeitaufwändig.
Bei einem weiteren an sich bekannten Verfahren zum selektiven Transport der Metallelemente Ruthenium, Osmium, Rhenium, Molybdän und Technetium werden diese als nichtrefraktäre Oxide, Oxychloride oder Hydroxide in einem Gasstrom transportiert, indem dem Gasstrom Sauerstoff und/oder Wasser oder chlorierende Medien beigemengt werden. Hierfür sind allerdings hohe Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius nötig, um den Prozess zu starten.
Eine weitere Möglichkeit besteht in ausgewählten Fällen in der Synthese nichtreaktiver Fluoride. Beispielsweise kann in der induzierten Kernspaltung von Uran-235 Spaltzirkon erzeugt werden. Hierfür wird UF₃ als Targetmaterial verwendet und auf über 400°C erhitzt. Auf diese Art lässt sich in diesen Experimenten nichtreaktives ZrF₄ erzeugen und bei einem Druck von 10^–7 bar transportieren. Auch dieses Verfahren benötigt extreme Umgebungsbedingungen.
Auch das Dokument „The Chemistry of Superheavy Elements”, M. Schädel, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH zeigt eine herkömmliche Adsorption von Kohlenstoff an Aerosolen, um den Kohlenstoff derart „gefroren” in einem Gasstrahl zu transportieren.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren bereitzustellen, welches es ermöglicht, Metallelemente, insbesondere bei moderaten Umgebungsbedingungen, von einem Ort zu einem entfernten Ort zu transportieren, um dort die Metallelemente an sich nachweisen zu können, aber auch deren physikalisch-chemische Eigenschaften zu vermessen oder die Metallelemente dort anderweitig verwenden zu können.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Erfindungsgemäß werden Metallelemente mittels der Synthese von Metallelement-Carbonyl-Komplexen in einen transportfähigen Zustand versetzt und können dadurch auch über größere Entfernungen in der gasförmigen Phase mit einem Trägergas transportiert werden.
Erfindungsgemäß enthält das Trägergas molekulares Kohlenstoffmonoxid. Das Trägergas wird bevorzugt mit den Metallelementen in einem Reaktionsvolumen zusammengeführt, wobei die Metallelemente und die Kohlenstoffmonoxidmoleküle des Trägergases direkt zu Metallelement-Carbonyl-Komplexen synthetisieren können. Metallelement-Carbonyl-Komplexe sind Komplexverbindungen von Metallelementen mit Kohlenstoffmonoxid-Liganden. Die Komplexverbindungen haben die allgemeine Struktur d_m(CO)_n. Unter dem Begriff „Carbonyl-Komplex” werden hierin im Weiteren sowohl einfache Carbonyl-Komplexe mit nur einem Kohlenstoffmonoxid-Liganden als auch solche mit mehreren Kohlenstoffmonoxid-Liganden verstanden. Ferner werden unter dem Begriff „Carbonyl-Komplex” hierin sowohl einkernige Carbonyl-Komplexe (m = 1) als auch mehrkernige Carbonyl-Komplexe (m > 1) verstanden.
Anhand der drei nachfolgend aufgeführten beispielhaften Reaktionsgleichungen sollen die Prozesse zur erfindungsgemäßen Synthese der Metallelement-Carbonyl-Komplexe, die in Folge als Carbonyl-Komplexsynthese bezeichnet wird, beschrieben werden. ¹⁰⁴Mo + 6CO → ¹⁰⁴Mo(CO)₆ ¹⁰⁸Ru + 5CO → ¹⁰⁸Ru(CO)₅ m^Xd + nCO → ^Xd_m(CO)_n
So kann beispielsweise ein erzeugtes Metallelement Molybdän-104 vorzugsweise mit sechs Kohlenstoffmonoxidmolekülen zu einer oktaedrischen Mo(CO)₅-Carbonyl-Komplexverbindung synthetisieren. Ein ebenfalls erzeugtes Metallelement Ruthenium-108 kann vorzugsweise mit fünf Kohlenstoffmonoxidmolekülen zu einer trigonalbipyramidalen Ru(CO)5-Carbonyl-Komplexverbindung synthetisieren. Gegebenenfalls kann dieses im weiteren Verlauf auch zu dem Metallelement-Carbonyl-Komplex Ru₃(CO)₁₂ synthetisieren. Im Allgemeinen kann sich ein Metallelement mit Ladungszahl X mit n Kohlenstoffmonoxidmolekülen verbinden, so dass die 18-Elektronenregel erfüllt wird. Das synthetisierte Metallelement-Carbonyl-Komplex kann in der Form ^Xd_m(CO)_n vorliegen, wobei x für die Massenzahl des jeweiligen Isotops, m für die Anzahl der jeweiligen Metallelement-Atome (d) in dem Metallelement-Carbonyl-Komplex und n für die Anzahl der Kohlenstoffmonoxid-Liganden (CO) in dem Metallelement-Carbonyl-Komplex steht. Die Anzahl m der jeweiligen Metallelement-Atome sowie die Anzahl n der Kohlenstoffmonoxid-Liganden kann jeweils jede natürliche Zahl einschließlich „eins” sein.
Die synthetisierten Metallelement-Carbonyl-Komplexe haften beispielsweise nicht oder jeweils nur kurz an Oberflächen an, weisen also eine hohe Flüchtigkeit auf. Dadurch sind die Metallelement-Carbonyl-Komplexe zum Transport geeignet und können auch über größere Distanzen z. B. durch Transportleitungen wie Schläuche oder Rohre transportiert werden.
Von großem Vorteil bei diesem Verfahren ist, dass die Synthese der Metallelement-Carbonyl-Komplexe direkt aus molekularem Kohlenstoffmonoxidgas und den Metallelementen erfolgreich bei moderaten Bedingungen ohne Zwischenreaktion ablaufen kann. Das Verfahren kann bei einer Temperatur im Intervall zwischen 50 bis 600 K und bei einem Druck zwischen 0,00005 bis 200 bar realisiert werden. Eine Besonderheit ist aber, dass das Verfahren bei einer Temperatur im Intervall zwischen 200 bis 400 K und besonders bevorzugt bei einer Temperatur im Intervall zwischen 250 bis 310 K durchgeführt werden kann. Ebenfalls bevorzugt kann das Verfahren bei einem Druck im Intervall zwischen 0,005 bis 20 bar und besonders bevorzugt bei einem Druck im Intervall zwischen 0,1 bis 10 bar durchgeführt werden. Die Carbonyl-Komplexsynthese kann ebenfalls bei gewöhnlichen Raumbedingungen stattfinden, also bei einer Temperatur von ungefähr 290 K ± 10 K und bei einem Gasgesamtdruck von ungefähr 1 Bar + 0,5 Bar, dem Atmosphärendruck entsprechend.
In der Synthesekammer kann das Trägergas neben dem molekularen Kohlenstoffmonoxid einen nicht reaktiven und damit inerten Gasbestandteil enthalten. Der Anteil des nicht reaktiven Gases kann je nach Aufbau einer verwendeten Vorrichtung unterschiedlich sein. Bevorzugt kann das inerte Gas beispielsweise Helium oder N² sein. Im Wesentlichen dient der nicht reaktive Gasbestandteil der Moderation der zu transportierenden Metallelemente im Reaktionsvolumen der Synthesevorrichtung. Dadurch können die Metallelemente von höheren kinetischen Energien, die diese nach ihrer Erzeugung haben können, auf eine dem Trägergas angepasste Energie abgebremst werden. Hierdurch kann die Wahrscheinlichkeit für die Synthetisierung der Metallelement-Carbonyl-Komplexe vergrößert werden.
Hierdurch können die aus einem Target emittierten Metallelemente durch die Trägergasteilchen moderiert werden. Die Effizienz der Moderation ist insbesondere von dem Massenverhältnis der beteiligten Teilchen abhängig. Hierbei kann durch die Auswahl der Trägergasteilchen, dem Anteil des molekularen Kohlenstoffmonoxids an dem Trägergas, der Einstellung des Drucks und/oder der Einstellung der Temperatur des Trägergases die Moderation gezielt beeinflusst werden. Somit kann die Ausbeute und die Selektivität der Carbonyl-Komplexsynthese gezielt beeinflusst werden. Insbesondere in den Fällen, in denen es aus den Erzeugungsbedingungen ersichtlich ist, dass die erzeugten Metallelemente bereits thermalisiert sind oder durch das Kohlenstoffmonoxid allein thermalisiert werden können, kann das Trägergas auch vollständig oder zumindest im Wesentlichen aus molekularem Kohlenstoffmonoxid bestehen. Unter Thermalisieren ist hierbei zu verstehen, dass die Energie der Metallelemente der kinetischen Energie der Trägergasteilchen im Wesentlichen entspricht. Es ist aber auch möglich einen hohen Anteil von molekularem Kohlenstoffmonoxid mit beispielsweise einem Mindestanteil von bevorzugt 95%, besonders bevorzugt 99% im Trägergas vorzusehen.
Je nach gewähltem geometrischen Aufbau, dem Ionenstrahl, der Energie der Rückstoßkerne und Art der anderen Gase im Trägergas kann ein geringerer Anteil von molekularem Kohlenstoffmonoxid zur Bildung der Komplexe ausreichend sein. Der Anteil des molekularen Kohlenstoffmonoxids kann hierbei deutlich unter 50% liegen.
Das kohlenstoffmonoxidhaltige Trägergas kann neben molekularem Kohlenstoffmonoxid auch einen weiteren reaktiven Gasbestandteil in der Synthesekammer enthalten. Metallelemente, Kohlenstoffmonoxid und Bestandteile des weiteren Reaktivgases können gegebenenfalls zu Carbonylkomplexen oder zu Carbonylkomplexen enthaltenden Verbindungen synthetisieren. Durch die Einstellung des weiteren reaktiven Gasbestandteils kann bevorzugt die Moderation und/oder die Selektivität der Carbonyl-Komplexsynthese beeinflusst werden.
Das Reaktionsvolumen kann in der Synthesekammer bereitgestellt werden. Neben Abschirmungszwecken kann die Synthesekammer eine gezielte Gasströmung des Trägergases ermöglichen. Mittels einer Zuleitung, also beispielsweise einem Schlauch aus Polyethylen oder einem Rohr aus Kupfer, kann das Gas in die Synthesekammer und das darin beherbergte Reaktionsvolumen geführt werden. Mit einfachen Schlauchanschlüssen oder Rohrflanschen kann neben der Zuleitung auch eine Transportleitung an einer Auslassöffnung, insbesondere einem Gasauslass der Synthesekammer befestigt sein. An diesem Auslass kann dann das Trägergas ausströmen. Mit dem Trägergas können ebenfalls die Metallelement-Carbonyl-Komplexe die Synthese- oder Reaktionskammer verlassen und mittels einer mit der Reaktionskammer verbundenen Gastransportleitung zu einem vom Erzeugungsort der Metallelemente entfernten Ort transportieren werden. An dem entfernten Ort können die Metallelemente (in Carbonyl-Komplex-Form) nachgewiesen, experimentell untersucht und/oder einer weiteren Verwendung zugeführt werden. Ein Transport von atomaren Metallelementen, also solchen die nicht in Form von Carbonyl-Komplexen verbunden sind, wurde hingegen bisher, außer bei Quecksilber (Hg), nicht nachgewiesen und ist sehr unwahrscheinlich, insbesondere nahezu nicht realisierbar. Dies deshalb, da diese wenig flüchtig sind und wenn sie nicht bereits an der Wand der Synthesekammer anhaften, binnen kürzester Zeit an der Gastransportleitung anhaften werden und somit nicht mit dem Gasstrom mitgeführt werden können.
Die Bereitstellung und der Transport der Metallelement-Carbonyl-Komplexe erfolgt demnach in einem Gasphasen-Durchfluss-Verfahren. Somit kann vorteilhafterweise erst die Überführung der in der Reaktionskammer erzeugten Metallelemente in Metallelement-Carbonyl-Komplexe einen Transport dieser ermöglichen.
Die Materialauswahl der verwendeten Gastransportleitung kann einen Einfluss auf die beim Transport der Metallelement-Carbonyl-Komplexe erzielte Ausbeute haben. Es sind generell eine Vielzahl an einfachen Materialien zur Verwendung als Gastransportleitung denkbar. Insbesondere einfache Kunststoffe, wie beispielsweise Polyethylen (PE) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), können als Material für eine Gastransportleitung verwendet werden. Zum Teil kann die Wahl des Materials der Gastransportleitung von der Strahlungsbeständigkeit des jeweiligen Materials abhängig sein, da diese zumindest teilweise in einem Bereich geführt sein kann, in welchem eine stark erhöhte Strahlungsbelastung vorliegen kann. Am Ort der Verwendung der erzeugten Elemente, insbesondere der radioaktiven Elemente kann somit eine geringe oder sogar keine zusätzliche Strahlungsbelastung vorliegen. Die Länge der Gastransportleitung kann daher vorzugsweise gerade derart gewählt sein, um durch eine Strahlungsabschirmungseinrichtung, beispielsweise eine ausreichend dicke Betonmauer, hindurchgelegt werden zu können.
Die Gasströmung durch die jeweiligen Leitungen kann durch verschiedene Einstellungen angepasst werden. Insbesondere kann die Fördermenge des Trägergases die die Strömungsgeschwindigkeit direkt beeinflussen kann, eingestellt werden. Die Fördermenge der einzelnen Trägergasbestandteile kann dabei einzeln an jeder Gasquelle eingestellt werden. Als Gasquelle für jeden Bestandteil des Trägergases kann typischerweise eine Druckgasflasche dienen, an der ein Druckminderer angeschlossen sein kann. Dies kann eine individuelle Massenflussregelung gewährleisten. Die Einstellung der Fördermenge kann zum Einen an die Aufbaugeometrie, wie z. B. den Durchmesser oder die Länge der verbauten Leitungen, angepasst sein. Zum Anderen kann die Fördermengeneinstellung auch an die mittlere Lebensdauer der Metallelemente angepasst sein. Dadurch können in Bezug auf ihre radioaktive Zerfallswahrscheinlichkeit sehr kurzlebige Metallelemente unter Umständen mit höherer Strömungsgeschwindigkeit als weniger kurzlebige Metallelemente transportiert werden, um das Transportziel, den entfernten Ort, zu erreichen. Des Weiteren kann die einzustellende Strömungsgeschwindigkeit auch abhängig davon sein, bei welcher Strömungsgeschwindigkeit ein optimaler Einfang der Metallelemente durch das Trägergas gewährleistet ist. Im Allgemeinen kann die Fördermenge in einem Bereich zwischen 1 ml/min und 10 l/min eingestellt werden, um den Gasfluss diesen Bedingungen anzupassen.
Dabei kann zur Erzeugung der Metallelemente eine physikalische Reaktion verwendet werden. Hierbei wird beispielsweise ein Objekt, genannt Target, von einer Strahlungsquelle bestrahlt, dadurch aktiviert und in einer Reaktion, insbesondere einer Kernreaktion können die Metallelemente erzeugt werden. Eine Kernreaktion kann beispielsweise eine Kernspaltung, ein Kernfusionsprozess oder ein Kernzerfall sein.
Im Falle der Kernspaltung kann diese insbesondere durch Neutronen induziert werden. Beispielsweise können die Neutronen in einem Kernreaktor erzeugt werden. Hierbei können bevorzugt thermische Neutronen verwendet werden. Diese Bedingungen können beispielsweise am Forschungsreaktor TRIGA Mainz an der Johannes Gutenberg Universität in Mainz erfüllt werden.
Ferner können die Metallelemente mittels Kernspaltung unter Verwendung von Teilchenstrahlen, insbesondere eines Teilchen- oder Ionenbeschleunigers, erzeugt werden. Ein Teilchenbeschleuniger ist insbesondere ein Linearbeschleuniger, ein Synchrotron oder ein Zyklotron. Die Teilchen- bzw. Ionenstrahlen können beispielsweise bei Einrichtungen wie der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt/Deutschland zur Verfügung gestellt werden. Die besonderen Anforderungen an die Strahlung, die zur Erzeugung der gewünschten Metallelemente führen, sind an sich bekannt. Das Target wird demnach mit beispielsweise Hadronen-enthaltender Strahlung, d. h. mit Hadronen selbst (z. B. Neutronen) oder Hadronen-enthaltenden Teilchen (z. B. Ionen) bestrahlt. Es ist beispielsweise aber auch möglich, Photonen oder Elektronen induzierte Strahlung zu verwenden.
Das Material des Targets wird bevorzugt danach ausgesucht, welche Metallelemente erzeugt werden sollen. Als Material können beispielsweise Actinoiden, insbesondere die verschiedenen spaltfähigen Elemente wie Uran, Plutonium oder Californium oder Objekte, die diese Materialien enthalten, eingesetzt werden. Die Materialien Uran, Plutonium oder Californium haben eine jeweils materialeigene Wahrscheinlichkeit dafür, ein bestimmtes Element, darunter das erwünschte Metallelement wie beispielsweise Molybdän, Technetium, Rhodium oder Ruthenium zu erzeugen.
Da die Reichweiten der erzeugten Metallelemente verhältnismäßig kurz sind, kann der Bereich, in dem die erzeugten Metallelemente zu erwarten sind, direkt mit dem Trägergas geflutet werden. Insbesondere da sich die Einzelteilchen bei einem Kontakt mit einem physischen Objekt mit hoher Wahrscheinlichkeit direkt an dieses anhaften können, können sie somit nicht von einem Trägergas aufgenommen und/oder transportiert werden. Insbesondere kann das Target direkt vom Trägergas umspült werden, um einen Kontakt der erzeugten Elemente, insbesondere der refraktären Metallelemente beispielsweise mit der Außenhaut der Synthesekammer zu vermeiden, bevor diese mit den Kohlenstoffmonoxidmolekülen zu Metallelement-Carbonyl-Komplexen synthetisiert werden können. Dies kann die Ausbeute der Synthese der Metallelement-Carbonyl-Komplexe erhöhen.
Die Reichweite der erzeugten Metallelemente kann insbesondere in Abhängigkeit von der Energie der Strahlung, durch Auswahl des Targets sowie durch Druck und Zusammensetzung des Trägergases beeinflusst werden. Bevorzugt werden die Bedingungen (insbesondere Gasart, Gasmischung, Temperatur, Druck und/oder Größe der Synthesekammer) so gewählt, dass die Reichweite der Metallelemente derart ist, dass mindestens 5% der erzeugten Metallelemente in der Synthesekammer mittels des Trägergases moderiert, also abgebremst, werden. Bevorzugter werden allerdings mehr Metallelemente mittels des Trägergases moderiert als durch zu große Reichweite verlorengeht. Besonders bevorzugt ist die Reichweite der Metallelemente derart beeinflusst, dass zumindest 98% der Metallelemente in der Synthesekammer mittels des Trägergases moderiert werden können, um eine möglichst hohe Ausbeute für den späteren Transport der Metallelemente zu ermöglichen.
Bevorzugt werden Metallelemente erzeugt, die zumeist kurzlebig, diejenigen beispielsweise aus der Gruppe der Transactinoiden sogar extrem kurzlebig sind. Die Halbwertszeiten der kurzlebigen refraktären Metallelemente liegen dabei typischerweise unter 10 Minuten, diejenigen der extrem kurzlebigen im Bereich unter 100 Millisekunden.
Beim Zerfall der Metallelemente emittieren diese eine radioaktive Strahlung. Diese radioaktive Strahlung der radioaktiv zerfallenden Metallelemente lässt sich mittels eines Strahlungsdetektors in einer Nachweiseinrichtung messen. Baut man den Detektor nachgeschaltet zu der an die Synthesekammer angeschlossene Transportleitung an, so lässt die Existenz der Metallelemente, insbesondere in Form der Metallelement-Carbonyl-Komplexe am Ort des Zerfalls, entfernt vom Ort der Erzeugung deren Transport mittels des Trägergases zweifelsfrei nachweisen.
Die Metallelemente haben vorzugsweise radioaktive Eigenschaften. Das Vorhandensein einer wohldefinierten Halbwertszeit ermöglicht beispielsweise verschiedene Nachweisverfahren, auf die im weiteren Verlauf der Beschreibung noch eingegangen wird, sowie verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für den Metallelement-Transport. So können Anwendungsmöglichkeiten für den erfindungsgemäßen Metallelement-Transport beispielsweise in der Tribologie, in der Radiochemie sowie der Nuklearmedizin zu finden sein.
Der Ort der Verwendung kann dann beispielsweise ein Raum sein, in dem sich Personen aufhalten können, beispielsweise ein Behandlungs- oder Therapiezimmer. Die Metallelemente können dann in dem Raum oder dem Therapiezimmer ihrer Verwendung zugeführt werden.
Beispielsweise kann es im Bereich der Nuklearmedizin beispielsweise bei einer szintigraphischen Untersuchung, beispielsweise von Skelett, Lunge, Schilddrüse, Nieren, Herz sowie Tumore von erheblichem Vorteil sein, möglichst kurzlebige radioaktive Materialien als sogenannte radioaktive „Marker” (Tracer) zu verwenden. Indem die unmittelbar zuvor erzeugten Metallelemente nach der Carbonyl-Komplexbildung über die Gastransportleitung in die Nähe des Patienten gebracht werden, kann eine möglichst geringe Strahlungsbelastung des Patienten erreicht werden. Es können dadurch genau auf den Zweck der Untersuchung abgestimmte radioaktive Isotope verwendet werden. Gleichzeitig kann Strahlungsbelastung des Patienten erheblich reduziert werden.
Bevorzugt werden Metallelemente, insbesondere refraktäre Metallelelemente mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens in die gasförmige Phase überführt. Somit ist es bevorzugt ermöglicht Metallelemente, insbesondere refraktäre Metallelemente zu transportieren. Die zu transportierenden Metallelemente sind vorzugsweise Elemente aus den Nebengruppen, also den d-Gruppen des Periodensystems. Es können aber auch Metallelemente aus dem Bereich der Hauptgruppen des Periodensystems sein, die mittels des beschriebenen Verfahrens in gasförmiger Phase transportiert werden können. Dies können beispielsweise Indium, Tallium oder Germanium sein. Des Weiteren können auch die Elemente der Actinide und Lanthanide mittels beschriebenem Verfahren transportiert werden. Refraktäre Metallelemente aus den d-Gruppen des Periodensystems können insbesondere Ruthenium, Iridium, Rhodium, Osmium, Rhenium, Molybdän, Wolfram oder Technetium, insbesondere radioaktiv zerfallende Isotope dieser Elemente sein.
Das gezeigte Verfahren arbeitet vorzugsweise selektiv. Die Selektion eines bestimmten Metallelements aus einer Reihe von erzeugten oder vorhandenen Metallelementen geschieht dabei in Abhängigkeit von verschiedenen Prozessparametern. Beispielsweise durch die Einstellung des Kohlenstoffmonoxidanteils am Trägergas und/oder der Fördermenge des Trägergases kann die Selektivität des Transportprozesses gezielt beeinflusst werden. Ferner kann darüber hinaus die aus der Erzeugungswahrscheinlichkeit des gewählten Targetmaterials resultierende Teilchenzahl einen Einfluss auf die Selektivität der Metallelement-Carbonyl-Komplexsynthese haben. Diese kann bei richtiger Wahl bereits die Entstehung eines ausgewählten Metallelements bevorzugen.
Zur Erzeugung und Bereitstellung von Metallelementen in gasförmiger Phase wird ein Reaktionsvolumen definiert, in welchem die Metallelemente mit dem Kohlenstoffmonoxid des Trägergases zu Metallelement-Carbonyl-Komplexen synthetisieren können. Bei den gebildeten Carbonyl-Komplexen kann durch die synergistischen Sigma-Donor/Pi-Akzeptor-Wechselwirkungen des Kohlenstoffmonoxids mit dem Metallelement eine besondere Stabilität erreicht werden. Durch diese Wechselwirkungen werden Elektronen vom gefüllten Sigma-Orbital des Kohlenstoffmonoxids in symmetrieäquivalente Orbitale des Metallelements und von gefüllten Orbitalen des Metallelements in leere Pi-Orbitale der Kohlenstoffmonoxid-Mehrfachbindung verschoben. Diese Elektronendelokalisierung ruft eine energetische Stabilisierung hervor. Dies wird auch „nephelauxetischer Effekt” genannt.
Die Struktur des synthetisierten Metallelement-Carbonyl-Komplex wird in erster Linie durch das VSEPR-Modell und die 18-Elektronen-Regel vorhergesagt. Carbonyl-Komplexe mit mehreren oder sogar verschiedenen Metallelementen sind aufgrund der Dichte der Metallelement-Teilchen im Reaktionsvolumen unwahrscheinlich, sollen aber nicht ausgeschlossen sein. Die resultierende Carbonyl-Komplexsymmetrie kann dementsprechend je nach Metallelement beispielsweise tetraedisch, trigonal-bipyramidal, oktaedrisch sein. Im Falle der Synthese zweier Metallelement-Teilchen in einem Metallelement-Carbonyl-Komplex kann die Symmetrie aber auch beispielsweise zweifach trigonal-bipyramidal staggered oder zweifach oktaedrisch staggered sein. Die Metallelemente beispielsweise der 6. Gruppe bilden aufgrund der 18-Elektronen-Regel vorzugsweise Hexacarbonyl-Komplexverbindungen, diejenigen der 8. Gruppe Pentacarbonyl-Komplexe. Das Metallelement Molybdän der 6. Gruppe bildet beispielsweise mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Hexacarbonyl-Komplexverbindung in Form von ¹⁰⁴Mo(CO)₆. Hierbei synthetisieren sechs Kohlenstoffmonoxid-Moleküle mit einem ¹⁰⁴Mo zu einem Metallelement-Carbonyl-Komplex in Form eines Mo-Carbonyl-Komplex mit oktaedrischer Symmetrie.
Das Reaktionsvolumen kann in einer Vorrichtung in einer Synthesekammer beherbergt sein, welche auch eine Zuleitung zur Bereitstellung und Einleitung des kohlenstoffmonoxidhaltigen Trägergases aufweist, um das Trägergas und die in der Synthesekammer erzeugten oder in die Synthesekammer eingebrachten Metallelemente im Reaktionsvolumen zusammenzuführen. Die synthetisierten Metallelement-Carbonyl-Komplexe sind somit in der Synthesekammer umgeben von dem Trägergas für den Transport zur Verfügung gestellt und können über einen Auslass mit dem Trägergas aus der Synthesekammer ausgeleitet werden. Da der Erzeugung der Metallelemente eine oftmals hohe Strahlungsbelastung einhergehen kann, ist der Abtransport der Metallelemente vom Ort der Entstehung zu einem strahlengeschützten Ort der Verwendung zweckmäßig.
Das Reaktionsvolumen wird insbesondere stets mit einströmenden Trägergas gespült, so dass eine stete Strömung erzeugt werden kann mit welcher die Metallelement-Carbonyl-Komplexe mitgeführt werden können. Insbesondere kann, bei geeigneter Wahl der Synthesekammergeometrie, in einem solchen Durchflussbetrieb das ganze Reaktionsvolumen beständig mit dem frischen einströmenden Trägergas gespült werden, um stillstehende Strömungsbereiche zu vermeiden.
Die Erzeugung der Metallelemente geschieht insbesondere durch ein Target aus spaltbarem Material, welches durch eine Strahlungsquelle bestrahlt und aktiviert wird. Die Metallelemente können demnach direkt im Prozess beziehungsweise unmittelbar vor der Carbonylsynthese und dem Transportprozess erzeugt werden, insbesondere in oder in der Nähe der Synthesekammer. Bei einer induzierten Kernreaktion in Form einer Kernspaltung können viele verschiedene Kernfragmente entstehen und dadurch und durch deren weitere Zerfallsprozesse eine zusätzliche Strahlungsbelastung vorliegen. Es können demnach auch primäre Kernreaktionsprodukte, insbesondere Spaltprodukte, transportiert bzw. verwendet werden. Bedingt durch die zumeist kurzen Reichweiten der Metallelemente ist es dennoch zweckmäßig, das Target unmittelbar in der Synthesekammer anzubringen. Das Target kann aber auch außerhalb der Synthesekammer angebracht sein.
Zur Abschirmung von weiteren, insbesondere schwereren Kernfragmenten, die nicht dem gewünschten Metallelement entsprechen, kann auf das Target vorzugsweise eine Targetabdeckung angebracht sein, welche von den Metallelementen ohne einen zu großen Verlust an Ausbeute durchdrungen werden kann. Die Targetabdeckung kann so ausgewählt werden, dass diese schwerere Spaltfragmente als die Metallelemente zurückhalten kann. Demnach kann durch Auswahl des Targetabdeckungsmaterials und/oder Einstellung der Dicke der Targetabdeckung die Selektivität der die Targetabdeckung durchdringenden Metallelemente aus den entstehenden Kernfragmenten erhöht werden. Zum Durchlass der das Target aktivierenden Strahlung kann die Synthesekammer mit einem Eintrittsfenster versehen werden. Dieses kann derart konstruiert sein, dass die jeweils verwendete auf das Target gerichtete Strahlung, insbesondere thermische Neutronen oder beschleunigte Ionen, passieren kann. Beispielsweise kann das Eintrittsfenster eine Mylar-Folie sein, die insbesondere nur wenige Mikrometer Dicke aufweist.
Zum Nachweisen der Metallelemente können die bereitgestellten Metallelement-Carbonyl-Komplexe durch eine Transportleitung geleitet und einer Nachweiseinrichtung zugeführt werden. Die Nachweiseinrichtung kann beispielsweise eine Auffangeinrichtung zum Ausfiltern und Auffangen der Metallelement-Carbonyl-Komplexe aus dem Trägergasstrom aufweisen, in der die Metallelemente radioaktiv zerfallen. Ferner kann die Nachweiseinrichtung einen Detektor aufweisen, der die beim Zerfall der Metallelemente entstehende radioaktive Strahlung nachweist.
Zur Bestimmung der Adsorptionsenthalpie der Metallelement-Carbonyl-Komplexe können die bereitgestellten Metallelement-Carbonyl-Komplexe ebenfalls durch eine Transportleitung geleitet und anschließend einem Gaschromatographen zugeführt werden. Ein an sich bekannter Gaschromatograph umfasst eine Gaschromatographiesäule, durch welche der Gasstrom mit den Metallelementen geleitet wird. Die Gaschromatographiesäule kann weiterhin eine Kühleinrichtung aufweisen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können. Unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen können sich aus den Ausführungsbeispielen auch weitere Merkmale, Einzelheiten und/oder Vorteile dazuergeben.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 einen prinzipiellen Aufbau einer schematisch dargestellten Synthesekammer zur Synthetisierung der Metallelement-Carbonyl-Komplexe;
2 einen weiteren beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung mit einer Strahlungsquelle;
3 einen weiteren Vorrichtungsaufbau mit Ablenkmagneten;
4 einen beispielhaften Vorrichtungsaufbau mit einer Strahlungsquelle des Forschungsreaktors TRIGA Mainz zum Nachweis der Synthese der Metallelement-Carbonyl-Komplexsynthese nach Ihrem Transport;
5 einen weiteren beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung mit der Strahlungsquelle des Forschungsreaktors TRIGA Mainz zur Bestimmung der Adsorptionsenthalpie der Metallelemente-Carbonyl-Komplexe nach ihrem Transport;
6 einen beispielhaften Aufbau einer Synthesekammer zur Synthetisierung der Metallelement-Carbonyl-Komplexe;
7 ein Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren zum Bereitstellen und Transport von Metallelement-Carbonyl-Komplexen in gasförmiger Phase;
8 ein Gasflussdiagramm mit einem geschlossenen Gaskreislauf;
9 eine relative Transportausbeute von refraktären Metallelementen in Abhängigkeit des Kohlenstoffmonoxidanteils im Trägergas;
10 eine relative Transportausbeute von refraktären Metallelementen in Abhängigkeit von der Fördermenge des Trägergases;
11 eine Abhängigkeit der Transportausbeute vom Druck in der Targetkammer für einen Druckbereich im ungefähren Bereich der Normalbedingungen;
Detaillierte Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine Ausführungsform einer Synthesekammer 14. Die Synthesekammer 14 weist in der in 1 gezeigten Ausführung zwei Einlassöffnungen 46 auf, die jeweils mit einer Zuleitung 10 verbunden werden können. Das Trägergas kann aus den in der 1 nicht gezeigten Druckgasflaschen 2, 4 gemischte werden und wird über die mit dem Einlass 46 der Synthesekammer 14 verbundene Zuleitung 10 dieser zugeführt. Die Synthesekammer 14 umfasst ein Reaktionsvolumen 58, in welchem das Trägergas und die Metallelemente 55 zusammengeführt werden, um die Synthese der Metallelement-Carbonyl-Komplexe zu ermöglichen. Das Kohlenstoffmonoxidgas ist in der Ausführungsform der Erfindung mit „CO”-Symbolen verdeutlicht. Zur Erzeugung der Metallelemente 55 umfasst die Synthesekammer 14 ein Target 54. Das Target 54 enthält bevorzugt spaltbares Material, insbesondere Uran, Plutonium oder Californium, um bei einer Kernreaktion, beispielsweise einer induzierten Kernspaltung, Metallelemente 55 zu erzeugen.
Im Einsatz, wenn die Synthesekammer 14 beispielsweise an einem Messplatz 64 angebracht ist, können die Synthesekammer 14 und insbesondere das Target 54 mit einer Strahlung 60 bestrahlt werden. In der gezeigten Ausführungsform ist das Target 54 in der Synthesekammer 14 platziert. Die Strahlung 60 durchdringt die Umwandung 52 der Synthesekammer 14 an einer dafür vorgesehenen Stelle, dem Eintrittsfenster 53.
Der Strömungsverlauf des Trägergases am Einlass 46 ist mit dem Pfeil 40 symbolisiert. Der Pfeil 42 zeigt den Strömungsverlauf des Trägergases am Auslass 48.
Nachfolgend ist die Synthese der Metallelemente kurz beschrieben. Die vom Target 54 erzeugten und emittierten Metallelemente werden durch die Bestandteile des Trägergases in der Synthesekammer 14 thermalisiert, was die Wahrscheinlichkeit für die Synthetisierung von Metallelement-Carbonyl-Komplexen vergrößert. Die Metallelemente synthetisieren im Reaktionsvolumen 58 mit dem Trägergas zu Metallelement-Carbonyl-Komplexen. Die synthetisierten Metallelement-Carbonyl-Komplexe werden mittels der Gasströmung des Trägergases zum Auslass 48 mitgeführt, treten in der mit dem Pfeil 42 gezeigten Strömungsrichtung aus der Synthesekammer 14 aus und strömen mit dem Trägergas in die mit dem Auslass 48 verbundene Transportleitung 12. Damit sind die Metallelemente in Form der Metallelement-Carbonyl-Komplexe am Auslass 48 der Synthesekammer 14 zum Transport und anschließend zu einer Verwendung entfernt von der Synthesekammer 14 bereitgestellt. Der Ort der Verwendung kann aufgrund der geschaffenen Transportmöglichkeit soweit entfernt sein, dass er nicht oder zumindest erheblich weniger strahlenbelastet ist. Ein Drucksensor 51 ist zur Messung des Drucks im Reaktionsvolumen an der Synthesekammer 14 angebaut.
Aufgrund des Wirkungsquerschnittes für die Metallelement-Carbonyl-Komplexsynthese im Reaktionsvolumen 58 können einzelne Metallelemente das Trägergas passieren ohne zu Metallelement-Carbonyl-Komplexen synthetisiert zu sein. Diese werden von der Umwandung 52 der Synthesekammer 14 in der Regel adsorbiert. Andernfalls werden diese spätestens in der Transportleitung 12 adsorbiert.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer transportvorrichtung zum Gasphasentransport von Metallelementen, bei welcher das Target 54 außerhalb der Synthesekammer 14 angeordnet ist. Die Produktion der Metallelemente 55 außerhalb der Synthesekammer 14 ermöglicht gegebenenfalls eine Separation der Primärstrahlung 60 von der Metallelement-„Strahlung” 55, die aus dem Target 54 erzeugt wird. Auch eine Separation der Metallelement-„Strahlung” 55 von weiteren bei Kernreaktionen entstehenden Teilchen kann dadurch erreicht werden. Das Eintrittsfenster 53 ermöglicht in dieser Ausführungsform das Passieren der Metallelemente 55 in die Synthesekammer 14 und das darin beherbergte Reaktionsvolumen 58. Der weitere Aufbau der Vorrichtung stimmt mit der mit 1 beschriebenen Synthesekammer 14 überein.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Transport von Metallelementen in der Gasphase mit einer Anordnung der Synthesekammer 14. Das Target 54 ist wie in dem mit 2 beschriebenen Aufbau außerhalb der Synthesekammer 14 angeordnet und kann mit der Strahlung 60, insbesondere Teilchenstrahlung, bestrahlt werden. Ablenkmagnete 61 beaufschlagen den Ort des Targets 54 mit einer Ablenkkraft.
Teilchen, die sich in dem Magnetfeld der Ablenkmagnete 61 bewegen, werden durch deren Ablenkkraft in Abhängigkeit von verschiedenen Teilchenparametern wie Masse und Ladungszahl abgelenkt.
Mittels der Strahlung 60, beispielsweise Strahlung 60 aufweisend thermische Neutronen oder Ionen, wird das Target 54 bestrahlt, wobei die Strahlung 60 zumindest teilweise das Target 54 durchdringt. Diese durchdringende Strahlung ist als „Primärstrahlung” 60 mit einem wenig gekrümmten Pfeil in 3 dargestellt. Diese Strahlung 60 wird wenig durch die Ablenkmagnete 61 in ihrer Richtung beeinflusst, sie trifft nicht auf die Synthesekammer 14. Die im Target 54 erzeugten Metallelemente 55 hingegen werden mittels des Magnetfelds in Richtung der Synthesekammer 14 abgelenkt. Das Magnetfeld der Ablenkmagnete 61 ist vorzugsweise auf eine zu den erwünschten Metallelementen 55 passenden Feldstärke eingestellt. Dies führt zu einer Separation der erzeugten Metallelemente 55 von der Strahlung 60.
In 4 ist schematisch ein beispielhafter Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung, Bereitstellung, Transport und Messung von refraktären Metallelementen gezeigt. Dieser ist an einem Kernreaktor 18, in diesem Beispiel dem Forschungsreaktor TRIGA Mainz der Johannes Gutenberg Universität in Mainz, der in einem Längsschnitt gezeigt ist, angebaut, um die dort erzeugten thermischen Neutronen für die neutroneninduzierte Spaltung eines Targets 54 zu verwenden.
Der Reaktorkern 16 erzeugt und thermalisiert die Neutronen, die dann verschiedenen, im gezeigten Fall vier Messplätzen 64 zur Verfügung gestellt werden. Die in 4 näher gezeigte Synthesekammer 14 ist an einem der vier Messplätze 64 installiert.
Ein Trägergas wird im gezeigten Fall von einer Trägergasquelle 3 abgegeben. Die Trägergasquelle umfasst eine Kohlenstoffmonoxidgasflasche 2 und eine Inertgasflasche 4. In diesem Beispiel enthält die Inertgasflasche 4 N₂-Gas als Inertgas. Das Mischungsverhältnis zwischen dem Kohlenstoffmonoxidgas und dem Inertgas kann jeweils mittels der Massenflussregler 6 und 8 an den Gasflaschen 2 und 4 eingestellt werden. Über eine Zuleitung 10 wird das Trägergasgemisch zur Synthesekammer 14 geführt. Der Prozess innerhalb der Synthesekammer 14 wird insbesondere anhand 4 näher erläutert. Es können wahlweise je nach Anforderung im Wesentlichen reines Kohlenstoffmonoxidgas aus der Kohlenstoffmonoxidgasflasche 2 oder aber also ein Gemisch aus Kohlenstoffmonoxidgas und Inertgas aus der Kohlenstoffmonoxidgasflasche 2 und der Inertgasflasche 4, in die Zuleitung 10 gespeist werden.
Über eine mit einem Auslass 48 der Synthesekammer 14 verbundene Transportleitung 12 kann das Trägergas, welches die in der Synthesekammer 14 synthetisierten Metallelement-Carbonyl-Komplexe enthält, einem vom Erzeugungsort der Metallelemente in der Synthesekammer 14 entfernten Aufbau 15 in Form einer Nachweis- oder Messeinrichtung an das von der Synthesekammer 14 abgewandte Ende 13 der Transportleitung 12 zugeführt werden.
Ein beispielhafter Aufbau 15 in Form einer Nachweiseinrichtung ist in 1 an das von der Synthesekammer 14 abgewandte Ende 13 der Transportleitung 12 angeschlossen. Am Ende 13 ist ein Filter 34 angeordnet, mittels des Filters 34 werden die erzeugten Metallelement-Carbonyl-Komplexe aus dem Trägergasstrom gefiltert. Das Filter 34 besteht beispielsweise aus einem einfachen Sammelröhrchen, welches mit Aktivkohle gefüllt ist. Ein Detektor 20 ist in dieser Ausführungsform oberhalb des Filters 34 angeordnet. Der Detektor 20 kann ein Germanium-Gammadetektor sein. Mittels des Detektors kann die radioaktive Zerfallsstrahlung der kurzlebigen Metallelemente gemessen werden. Hieraus kann eine Zerfallshäufigkeit erhalten werden. Mit einem Auswertesystem 62 kann die Transportausbeute bestimmt werden. Eine Gaspumpe 30 ist in Flussrichtung des Trägergases gesehen hinter dem Filter 34 angeordnet. Mittels der Gaspumpe 30 kann eine geregelte Abfuhr des Trägergases erfolgen, um einen möglichen Gasstau zu verhindern und den Gasfluss konstant zu halten. Der Gaspumpe 30 nachgeschaltet wird das Trägergas zur Abluft 31 geführt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für den mit dem von der Synthesekammer 14 abgewandten Ende 13 der Transportleitung 12 verbundenen Aufbau 15' in Form einer Messeinrichtung, in diesem Beispiel ein Gaschromatograph 21, ist in 5 gezeigt. Die verwendeten Systemkomponenten sind bis zum Ende 13 der Transportleitung 12 mit dem in 1 beschriebenen System identisch. An das Ende 13 anschließend ist der Aufbau 15', hier ein Gaschromatograph 21, angeschlossen. Dieser umfasst eine Gaschromatographiesäule 22 mit einer Kühleinrichtung 24 und einem Kühlmittelreservoir 26. Ein mit dem Gaschromatographen verbundener Ofen 32 ermöglicht ein genaueres Einstellen eines Temperaturgradienten entlang der Gaschromatographiesäule 22. Ein Detektor 20' ist längs verschieblich an der Gaschromatographiesäule 22 angeordnet. Der Detektor 20' kann beispielsweise ein Germanium-Gammadetektor sein. Prinzipiell eignet sich jeder Detektor, der eine radioaktive Strahlung detektiert. Der Detektor 20' misst die Zerfallshäufigkeitsverteilung der radioaktiven Metallelement-Zerfälle entlang der Gaschromatographiesäule 22. Das eine Ende der Kühleinrichtung 24, welches vom Ende 13 der Transportleitung abgewandt ist, ist mit dem Kühlmittelreservoir 26 verbunden. Das andere Ende der Kühleinrichtung 24, welches dem Ende 13 der Transportleitung zugewandt ist, gegebenenfalls mit einem Ofen 32. Entlang der Gaschromatographiesäule 22 bildet sich im Betrieb der Gaschromatographen 21 ein Temperaturgradient aus. Dies entspricht einer Thermochromatographieapparatur.
Der Aufbau 15' weist in Strömungsrichtung des Trägergases gesehen hinter dem Aufbau 15', insbesondere der Gaschromatographiesäule 22, ein Drosselventil 28 und eine Gaspumpe 30 auf. Das Drosselventil 28 regelt den Druck des Trägergases, eine Gaspumpe 30 führt das übrige Trägergas zu einer nicht näher bezeichneten Ablufteinrichtung 31.
Gegebenenfalls können beide Aufbauten 15, 15' auch seriell aufgebaut werden, indem sich an den vorgenannten Thermochromatographen 21 aus 3 die Nachweiseinrichtung 15 aus 1 anschließt. Werden mehrere Detektoren 20, 20' verwendet, können auch die eventuell in der Gaschromatographiesäule 22 nicht anhaftenden Metallelemente im nachgeschalteten Filter 34 detektiert werden.
Die in 4 und 5 gezeigten Aufbauten 15, 15' in Form von Nachweis- bzw. Messeinrichtungen sind beispielhaft. Es kann dort auch ein andersartiger als Nachweißeinrichtung oder Messapparatur verwendeter Aufbau oder eine Apparatur zur weiteren Verwendung der erzeugten Metallelemente angeschlossen oder integriert sein und an das Ende 13 der Transportleitung 12 angeschlossen sein, um die bereitgestellten und transportierten Metallelemente nachzuweisen, experimentell zu untersuchen oder anderweitig zu verwenden.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Synthesekammer 14 in einem Querschnitt. Die verwendeten Bezugszeichen stimmen mit denen vorheriger Ausführungsformen überein.
Unter dem Target 54 ist ein Ringverteiler 43 für das Trägergas angeordnet, welcher das Trägergas um das Target 54 herum verteilt in die Synthesekammer 14 einlässt. Der Strömungsverlauf des Trägergases am Einlass 46 ist mit dem Pfeil 40 symbolisiert. Die Pfeile 44 symbolisieren eine rotationssymmetrische Verteilung des Trägergases rund um die Synthesekammer 14 sowie den Eintritt des Trägergases in das Reaktionsvolumen 58.
Auf dem Target 54 ist in diesem Beispiel eine Targetabdeckung 56 angebracht. Die Targetabdeckung 56 kann weitere, insbesondere schwerere Spaltprodukte, die bei Kernreaktionen wie einer induzierten Kernspaltung im Target 54 entstehen können, aus dem Reaktionsvolumen 58 zurückhalten. Das Material, aus welchem die Targetabdeckung 56 besteht, bzw. welches die Targetabdeckung 56 aufweist, wird anhand des Targetmaterials und der gewünschten Metallelemente ausgesucht. Beispielsweise ist die Targetabdeckung 56 aus Aluminium gefertigt.
Ein Drucksensor 51 ist in dieser Ausführungsform an einem Anschluss 50 angeschlossen. Der Drucksensor 51 erlaubt die Einstellung des Gasdruckes in der Synthesekammer 14. Auch die in 6 dargestellte Synthesekammer 14 kann beispielsweise in den Vorrichtungen der 4 und 5 verwendet werden. Die Synthesekammer 14 weist einen Einlass 46 auf, der mit einer Zuleitung 10 und mit einer Trägergasquelle 3 verbunden werden kann. Das Trägergas kann über den Einlass 46 in die Synthesekammer gebracht werden. Die Synthesekammer 14 weist ferner ein Reaktionsvolumen 58 auf, in welchem das Trägergas und die Metallelemente beim Betrieb der Synthesekammer 14 zusammengeführt werden, um die Synthese der Metallelement-Carbonyl-Komplexe zu ermöglichen. Zur Erzeugung der Metallelemente umfasst die Synthesekammer 14 ebenfalls ein Target 54. Das Target 54 ist im gezeigten Beispiel in der Synthesekammer 14 angeordnet. Es kann aber auch außerhalb der Synthesekammer 14, bevorzugt in Richtung der Quelle der Strahlung 60, angeordnet sein.
Der Strömungsverlauf des Trägergases ist mit Pfeilen symbolisiert, wobei am Einlass 46 der Pfeil 40 das Einströmen des Trägergases in und am Auslass 48 der Pfeil 42 das Ausströmen des Trägergases mit Metallelement-Carbonyl-Komplexen aus der Synthesekammer 14 symbolisiert. Das Trägergas passiert zwischen Einlass 46 und Auslass 48 das Reaktionsvolumen 58.
Wenn die Synthesekammer 14 an einem Messplatz 64, oder einem anderen Bestrahlungsplatz für Hadronen-enthaltende Strahlung 60 angebracht ist, kann insbesondere das Target 54 mit der Strahlung 60 bestrahlt werden. Hierdurch können Metallelemente erzeugt und freigesetzt werden. Bevorzugt erlauben es die Verfahrensparameter der Vorrichtung, dass die Freisetzung der Metallelemente direkt in gasförmiger Phase geschieht. Auf dem Target 54 der in 6 gezeigten Ausführungsform ist eine Targetabdeckung 56 angebracht. Insbesondere das Target 54 auch so eingerichtet sein, dass die Targetabdeckung 56 im Target 54 enthalten ist. Auch eine Verwendung des Eintrittsfensters 53 als Targetabdeckung 56, insbesondere für den Fall einer Anbringung des Targets 54 außerhalb der Synthesekammer 14, ist möglich.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren zum Bereitstellen und Transport von Metallelement-Carbonyl-Komplexen in gasförmiger Phase.
8 zeigt ein Flusslaufdiagramm des Gasflusses. Es handelt sich in der gezeigten Ausführungsform um einen geschlossenen Kreislauf, so dass das Trägergas zwischen Zuleitung 10, der Synthesekammer 14 und Transportleitung 12 zirkuliert.
Das den Trägergasflaschen 2, 4 entnommene und mittels der Massenflussregler 6, 8 eingestellte Trägergas wird dem Kreislauf zugeführt, um den Kreislauf zu befüllen und/oder Gasverlust auszugleichen. Mittels des Massenflussreglers 7 wird der Massenfluss, mit dem Druckregler 9 der Druck im Kreislauf gemessen und/oder eingestellt.
Die gegebenenfalls in der Synthesekammer 14 erzeugten Carbonyl-Komplexe werden mittels der Filtereinrichtung 34 ausgeschieden, das Trägergas anschließend in einem Trockner 11 getrocknet, wodurch ein mehrfaches Verwenden der gleichen Gasmenge ermöglicht werden kann. Das Trägergas wird demnach rezirkuliert. Mittels Ventilen 29 ist der gewünschte Gasflusspfad einstellbar. So kann beispielsweise mittels einer Gaspumpe 30 das Trägergas abgesaugt werden und/oder die Zu- und Transportleitungen 10, 12 vor Benutzung evakuiert werden. Nach der Evakuierung kann die Gaspumpe 30 mittels des Ventils 29 aus dem Gasflusspfad getrennt werden. Es kann auch in der Zuleitung mittels eines Ventils 29 weiteres, gegebenenfalls anderes Trägergas dem Gasflusspfad zugeführt werden.
9 zeigt die mit der in 4 dargestellten Anordnung gemessene Ausbeute des Metallelement-Transports in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis des Kohlenstoffmonoxids mit dem Inertgas N₂. Es wurden die mit dem Detektor 20, 20' gemessenen Zählraten und die Einstellungen der Massenflussregler 6 und 8 aufgezeichnet und mit der Auswerteeinrichtung 62 ausgewertet. Die mit dem Detektor 20, 20' gemessene Zerfallshäufigkeit ist in 7 über das Mischungsverhältnis, also dem Quotienten der Werte der beiden Massenflussregler 6, 8, aufgetragen. Die Gesamtfördermenge des Gasgemisches beträgt für jeden Messpunkt 500 ml/min. Das Verhältnis der auf der Abszisse angegebenen Kohlenstoffmonoxid-Fördermenge mit der Gesamtfördermenge ergibt die anteilige Mischungsgröße des Kohlenstoffmonoxidgases. Die Ordinate zeigt eine auf einen als solchen bekannten entsprechenden MetallelementTransport mittels Kaliumchlorid normierte Transportausbeute. Wie aus 9 ersichtlich ist, beträgt die erzielte Ausbeute ein Mehrfaches der Ausbeute, die bei Verwendung von Kaliumchlorid zu erwarten gewesen wäre. In 9 sind die Ergebnisse für vier refraktäre Metallelemente mit je zwei Messreihen gezeigt. Je zwei für Technetium, Molybdän, Ruthenium und Rhodium.
10 zeigt die Ausbeute des Metallelement-Transports in Abhängigkeit von der Fördermenge des Trägergases. Auch hier wurde ein Aufbau verwendet, der dem in 4 gezeigten entspricht. Für die Datenaufnahme werden der Detektor 20, 20' und die Massenflussregler 6, 8 aufgezeichnet und die Daten mit der Auswerteeinrichtung 62 ausgewertet. Die Abszisse zeigt hier die Trägergasfördermenge in ml/min, die Ordinate die auf einen Transport mit Kaliumchlorid normierte Transportausbeute des kohlenstoffmonoxidhaltigen Trägergases. Da die Fördermenge abhängig von der Aufbaugeometrie ist, wird eine zum jeweiligen Aufbau passende Einstellung der Fördermenge für eine Maximierung der Ausbeute eingestellt. In 10 sind die Ergebnisse dargestellt für vier refraktäre Metallelemente Technetium, Molybdän, Ruthenium und Rhodium.
11 zeigt die Ausbeute des Metallelement-Transports in Abhängigkeit vom eingestellten Druck des Trägergases im Bereich von 1000 bis 1500 mbar. Die Ordinate ist wiederum normiert auf einen herkömmlichen Transport mit Kaliumchlorid. Auch hier sind Ergebnisse für vier refraktäre Metallelemente Technetium, Molybdän, Ruthenium und Rhodium dargestellt.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne die Erfindung zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

2: Kohlenstoffmonoxidgasflasche
3: Trägergasquelle
4: Inertgasflasche
6: Massenflussregler der Kohlenstoffmonoxidgasflasche
7: Massenflussregler
8: Massenflussregler der Inertgasflasche
9: Druckregler
10: Zuleitung
11: Trockner
12: Transportleitung
13: Fernes Ende der Transportleitung
14: Synthesekammer
15: Aufbau
15': Aufbau
16: Strahlungsquelle (z. B. Reaktorkern)
18: Kernreaktor
20: Detektor
20': Detektor
21: Gaschromatograph
22: Gaschromatographiesäule
24: Kühleinrichtung
26: Kühlmengenreservoir
28: Drosselventil
29: Ventil
30: Gaspumpe
31: Abluft
32: Ofen
34: Filter
40: Strömungsrichtungspfeil am Einlass
42: Strömungsrichtungspfeil am Auslass
43: Ringverteiler
44: Strömungsrichtungspfeil beim Einströmen in das Reaktionsvolumen
46: Einlass
48: Auslass
50: Anschluss
51: Drucksensor
52: Umwandung
53: Eintrittsfenster
54: Target
55: Metallelemente
56: Targetabdeckung
58: Reaktionsvolumen
60: Strahlung (z. B. Neutronen, Ionen)
61: Magnet
62: Auswerteeinrichtung
64: Messplatz

Claims

Verfahren zum Bereitstellen von Metallelementen in gasförmiger Phase in einem Trägergas, wobei das Trägergas molekulares Kohlenstoffmonoxid enthält, wobei das Trägergas und die Metallelemente in einem Reaktionsvolumen (58) zusammengeführt werden, und wobei die Metallelemente und das Kohlenstoffmonoxid zu Metallelement-Carbonyl-Komplexen synthetisieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallelemente in den 4. bis 10. Gruppen des Periodensystems oder den d-Gruppen des Periodensystems enthalten sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Trägergas eine Mischung aus Kohlenstoffmonoxidgas und zumindest einem nicht reaktiven Gasbestandteil enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Trägergas im Wesentlichen aus Kohlenstoffmonoxidgas besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Reaktionsvolumen (58) für die Synthese der Metallelement-Carbonyl-Komplexe in einer Synthesekammer (14) beherbergt ist, wobei das Trägergas mittels einer Zuleitung (10) in die Synthesekammer (14) geführt wird und wobei die Metallelement-Carbonyl-Komplexe mit dem Trägergas an einem Auslass (48) der Synthesekammer (14) zur weiteren Verwendung bereitgestellt werden.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, wobei die Metallelement-Carbonyl-Komplexsynthese in der Synthesekammer (14) bei einer Temperatur im Intervall zwischen 50 bis 500 K und einem Druck im Intervall zwischen 0,00005 bis 200 bar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei die synthetisierten Metallelement-Carbonyl-Komplexe mittels einer Transportleitung (12) von dem Reaktionsvolumen zu einem von dem Reaktionsvolumen entfernten Ort oder Aufbau (15) am Ende (13) der Transportleitung (12) geführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases am Auslass (48) der Synthesekammer (14) abhängig ist von dessen Fördermenge, welche in einem Bereich zwischen 1 ml/min bis 10 l/min eingestellt wird, um den Transport der Metallelement-Carbonyl-Komplexe über die mit dem Auslass (48) der Synthesekammer (14) verbundene Transportleitung zu bewerkstelligen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Metallelemente mittels eines Targets (54) erzeugt werden und wobei das Target (54) zur Erzeugung der Metallelemente von einer Strahlungsquelle (60) aktiviert wird.
Verfahren nach vorstehendem Anspruch, wobei das Target (54) zur Erzeugung der Metallelemente Actinoide enthält und/oder das Target (54) mit einem Hadronen-enthaltenden Strahl (60), insbesondere mit thermalisierten Neutronen oder beschleunigten Ionen bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei das Target (54) in der Synthesekammer (14) angeordnet ist und von dem Trägergas umspült wird, um die Metallelemente direkt aufzunehmen und die Metallelement-Carbonyl-Komplexe aus den Metallelementen und den Kohlenstoffmonoxidmolekülen zu synthetisieren.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Metallelemente kurzlebig sind und wobei die kurzlebigen, Metallelemente bei ihrem Zerfall radioaktive Strahlung emittieren.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Metallelemente Ruthenium, Osmium, Rhenium, Molybdän, Wolfram, Iridium, Rhodium oder Technetium sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei im Reaktionsvolumen (58) aus mehreren verschiedenen Metallelementen zumindest ein bestimmtes Element zur Synthese selektiert wird, indem zumindest einer der folgenden Prozessparameter in Abhängigkeit von dem zu selektierenden Metallelement ausgewählt bzw. eingestellt wird: – Anteil des Kohlenstoffmonoxids am Trägergas, – Fördermenge des Trägergases, – Trägergasdruck in der Synthesekammer (14), – Inertgassorte, – Targetmaterial, – Targetabdeckungsmaterial, – Targetabdeckungsdicke.
Vorrichtung zur Erzeugung und Bereitstellung von Metallelementen in Form von Metallelement-Carbonyl-Komplexen in gasförmiger Phase, umfassend: eine Synthesekammer (14), welche ein Reaktionsvolumen (58) definiert, eine Quelle von Metallelementen (55), eine Trägergasquelle (3) zum Abgeben von Trägergas, wobei das Trägergas molekulares Kohlenstoffmonoxid enthält, mit einer Zuleitung (10) zur Einleitung des kohlenstoffmonoxidhaltigen Trägergases in die Synthesekammer (14), um das Trägergas und die Metallelemente (55) in der Synthesekammer (14) zusammenzuführen und aus den Metallelementen (55) und dem molekularen Kohlenstoffmonoxid des Trägergases Metallelement-Carbonyl-Komplexe zu synthetisieren, einen Auslass (48) zum Bereitstellen des Trägergases mit den synthetisierten Metallelement-Carbonyl-Komplexen zur weiteren Nutzung.
Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch, wobei ein direkter Kontakt des Targets (54) mit dem Trägergas ermöglicht ist, indem das Target (54) von dem Trägergas umspült ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei das Target (54) Actinoide enthält und/oder zur Erzeugung der Metallelemente mit Hadronen-enthaltender Strahlung, insbesondere mit thermalisierten Neutronen oder beschleunigten Ionen, aktiviert wird.
Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch, ferner umfassend eine Targetabdeckung (56), welche auf der der Hadronen-enthaltenden Strahlung (60) abgewandten Seite des Targets (54) angeordnet ist und deren Material und Dicke angepasst ist, um schwerere Spaltfragmente zurückzuhalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 18, ferner umfassend ein Eintrittsfenster (53) zum Eintritt der zur Aktivierung des Targets (54) verwendeten Strahlung (60) von der Strahlungsquelle in die Synthesekammer (14), wobei die zur Aktivierung des Targets (54) verwendete Strahlung (60) thermische Neutronen oder beschleunigte Ionen enthält und wobei die Strahlung (60) auf das Target gerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, ferner umfassend eine Transportleitung (12) zum Transport der Metallelement-Carbonyl-Komplexe zu einem von der Synthesekammer (14) entfernten Ort oder Aufbau (15).
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20 zum Bereitstellen von Metallelementen für die Szintigraphie, die Nuklearmedizin, die Tribologie, die Radiochemie oder die Radiopharmakologie.