DE2404577A1 - ISOTOPE IONIZATION PROCESS AND SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION - Google Patents
ISOTOPE IONIZATION PROCESS AND SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATIONInfo
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Description
DR. KARL TH. HEGEL · DIPL-ING. KLAUS DICKELDR. KARL TH. HEGEL DIPL-ING. KLAUS DICKEL
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Jersey Nuclear-Avco Isotopes, Inc. Bellevue, Washington, V. St. A.Jersey Nuclear-Avco Isotopes, Inc. Bellevue, Washington, V. St. A.
Isotopen-Ionisierungsverfahren und Anlage zu seiner DurchführungIsotope ionization process and installation for its implementation
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur selektiven Ionisierung eines Isotopes in einer mehrere Isotope enthaltenden Umgebung. Es wird dieses Verfahren vor allem zwecks nachmaliger Isotopen-Trennung oder Isotopen-Anreicherung verwendet.The invention relates to a method and a system for the selective ionization of an isotope in an environment containing several isotopes. It becomes this Process used primarily for the purpose of subsequent isotope separation or isotope enrichment.
Past alle Spaltungsreaktionen, welche das Uranium-Isotop Upjr verwenden, bedingen eine Konzentration des Up^1- Isotopes, welche größer als die im natürlichen Zustand vorkommende ist. Die Erhöhung der Konzentration an U0-,c auf ein gewünschtes Maß, ausgehend von natürlichem oder schon verwendetem Uranium ist in der Vergangenheit mittelsPast all cleavage reactions that use the uranium isotope Upjr require a concentration of the Up ^ 1 isotope which is greater than that occurring in the natural state. In the past, increasing the concentration of U 0 -, c to a desired level, starting from natural or already used uranium, is by means of
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vieler Verfahren durchgeführt worden, welche im allgemeinen das Up35 von ^en anderen Uranium-Isotopen,in erster Linie von dem Up33,auf Grund seiner leicht verschiedenen chemischen Eigenschaften oder seines Massenunterschiedes trennen. Auf diesen Verfahren beruhende Anreicherungsmethoden verlangen oft ein stufenweises Vorgehen, v/elches wiederholt die gleichen Schritte anwendet, wobei jeder Schritt eine kleine Erhöhung der Konzentration an dem gewünschten üpo- Isotop mit sich bringt.been carried out many procedures that generally separate the Up35 of ^ s on its Uranium isotopes, primarily from the Up 33, because of its slightly different chemical properties or its mass difference. Enrichment methods based on these processes often require a step-by-step procedure, v / which repeatedly applies the same steps, each step bringing with it a small increase in the concentration of the desired isotope.
Eine vielversprechende Technik für eine wirksamere Trennung des U„ ~ Isotopes verwendet ein seLektives Ionisieren dieses Isotopes in einem Uraniumdampf, ohne das U238 Isotop des Dampfes entsprechend zu ionisieren. Es verleiht die Ionisierung dem gewünschten Up35 Isotop elektrische Eigenschaften, welche es gestatten, dieses Isotop von den übrigen Komponenten des Uraniumdampfes zu trennen. Es kann die selektive Ionisierung durch Beleuchtung des Uraniumdampfes mittels Laserstrahlungen erreicht werden, von denen mindestens eine eine Frequenz und Bandbreite hat, welche so ausgesucht sind, dass sie einen spezifischen Energiesprung des gewünschten U235 ent3Precneni nicht aber einem solchen Sprung der anderen Isotope von Uranium, 'd.h. hauptsächlich des U233. Die Ionisation desA promising technology for a more efficient separation of the U "~ Isotopes used selectively ionize this Isotopes in a uranium vapor without the U 238 isotope of the vapor to ionize accordingly. The ionization gives the desired Up 35 isotope electrical properties which allow this isotope to be separated from the other components of the uranium vapor. It may be the selective ionisation can be achieved by illuminating the uranium vapor by means of laser radiation, of which at least has a frequency and bandwidth which are chosen so that they recnen a specific energy gap of the desired U 2 35 Ent3 P i but not such a jump of the other Isotopes of uranium, ie mainly of U 233 . The ionization of the
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Up",- Isotopes wird schliesslich durch einen Energiesprung von einem angeregten Zwischenzustand in das Kontinuum des ionisierten Zustandes durchgeführt, und zwar durch die Anwendung weiterer Laserstrahlen, um diesen Uebergang zu bewerkstelligen. Up ", - Isotopes is finally due to a jump in energy carried out from an excited intermediate state into the continuum of the ionized state through the application more laser beams to make this transition.
Das übliche theoretische Modell für die gegenseitige Einwirkung von Photonen der Laserstrahlung und von Partikeln, Atomen oder Molekülen,des UraniumSp35 Isotopes des Uraniumdampfes beruht auf einer Wahrscheinliehkeitsberechnung, in welcher jedes Partikels des Upoc Isotopes. als mit einem Wirkungsquerschnitt bestimmten Radius ausgestattet betrachtet wird. Wenn ein Photon in den Wirkungsquerschnitt eines gegebenen Partikels einfällt, dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Photon eine Energieänderung des Partikels hervorrufen wird, ziemlich hoch. Typischerweise ist der wirkungsquerschnitt eine Funktion der Photonenenergie, oder seiner Frequenz, welche beide in bekannter Weise durch Planck's Konstante verbunden sind. Allgemein gesehen, wird der Wirkungsquerschnitt für eine Anregung auf ein effektives Energie-Niveau vernachlässigbar klein sein, ausser für diejenigen Photoenergien, weichebestimmten Uebergängen entsprechen, die etwa durch eine bekannte Absorptionslinie des Atomspektrums des betreffen-The usual theoretical model for the mutual effect of photons of the laser radiation and of particles, atoms or molecules, the UraniumSp 35 isotope of the uranium vapor, is based on a probability calculation in which each particle of the Upoc isotope. is considered to be equipped with a specific radius. If a photon hits the cross section of a given particle, then the probability that the photon will cause an energy change in the particle is quite high. Typically, the effective cross-section is a function of the photon energy, or its frequency, both of which are linked in a known manner by Planck's constant. In general, the cross-section for excitation to an effective energy level will be negligibly small, except for those photoenergies that correspond to soft-determined transitions that are determined by a known absorption line of the atomic spectrum of the
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den Elementes hervorgehoben sind. Im allgemeinen wird der Wirkungsquerschnitt für verschiedene Energiesprünge zwischen verschiedenen angeregten Zustanden verschieden sein. Uranium weist viele hunderte von erlaubten üebergängen zwischen diskreten Energieniveaus auf. Im allgemeinen sind die Wirkungsquerschnitte für Üebergänge in das Kontinuum der ionisierten Zustände merklich kleiner als diejenigen für Üebergänge zwischen einzelnen Energieniveaus, welche sich unterhalb der lonisierungsenergie befinden. Dies steht dem Wunsch entgegen, dass alle oder fast alle Teilchen, welche ursprünglich von einem Grundzustand in einen angeregten Zwischenzustand gehoben wurden, danach ionisiert werden. Die durch dieses Phänomen bedingte Einschränkung der Wirksamkeit des Anreicherungs- oder Trennverfahrens kann durch die ¥erwendung höherer Photonendichten in der für die Ionisierung verwendeten Strahlung überwunden werden, was aber eine entsprechende Erhöhung von Komplexheit und Kosten der Anlage zur Folge hat.the element are highlighted. In general, the Cross-section for different energy jumps between different excited states may be different. Uranium has many hundreds of permitted transitions between discrete energy levels. In general are the cross sections for transitions into the continuum the ionized states are noticeably smaller than those for transitions between individual energy levels, which are below the ionization energy. This is contrary to the wish that all or almost all particles, which originally came from a ground state in an excited intermediate state were raised, then ionized. The limitation caused by this phenomenon the effectiveness of the enrichment or separation process can be overcome by using higher photon densities in the radiation used for ionization which, however, results in a corresponding increase in the complexity and costs of the system.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Anlage und ein Verfahren zur wirksamen Ionisierung des ^235 Isotopes in einem Dampf metallischen Uranium mittels eines typischerweise drei Energieübergange benutzenden Verfahrens vor.The present invention proposes a system and a method for the efficient ionization of the ^ 235 isotope in a vapor of metallic uranium by means of a method which typically uses three energy transitions.
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Es werden zwei diskrete Uebergänge durch Strahlungsenergie von Lasern angeregt, welche eine oder mehrere Frequenzen aufweisen, um das Up^c Isotop auf ein vorbestimmtes und gerade unterhalb des Ionisierungswertes dieses Isotopes liegenden Energieniveau zu heben. Dieses vorbestimmte Energieniveau wird gerade unterhalb der Ionisierungsenergie gewählt, so dass ein Uebergang des U235 Isotopes in den ionisierten Zustand mit einem Laser von verhältnismässig geringer Energie bewirkt werden kann, welcher in wirksamer Weise einen Strahl mit hoher Photonendichte liefert. Two discrete transitions are excited by radiation energy from lasers which have one or more frequencies in order to raise the Up ^ c isotope to a predetermined energy level just below the ionization value of this isotope. This predetermined energy level is chosen just below the ionization energy, so that a transition of the U 235 isotope into the ionized state can be effected with a laser of relatively low energy, which effectively delivers a beam with a high photon density.
Das vorbestimrate, gerade unterhalb des Ionisationspotentials des U235 Isotopes liegende Energieniveau wird bevorzugterweise durch die Strahlungseinwirkung zweier gleichzeitig auf den Uraniumdampf einwirkenden Laser erreicht. Ein erster Laser ist genau abgestimmt, um eine Strahlung zu liefern, deren Frequenz einer spezifischen Absorptionslinie des gewünschten Isotopes entspricht, ohne jedoch einer Absorptionslinie der anderen, im Dampf vorkommenden Isotopen zu entsprechen. Die durch die erste Laserstrahlung bewirkte Anregung ist daher selektiv und hat eine Gesamtheit angeregter Atome zur Folge, in welcher der Prozentsatz des U23^ Isotopes weit über seinem Prozent-The predetermined energy level, which is just below the ionization potential of the U 235 isotope, is preferably achieved by the radiation action of two lasers acting simultaneously on the uranium vapor. A first laser is precisely tuned to deliver a radiation whose frequency corresponds to a specific absorption line of the desired isotope, but without corresponding to an absorption line of the other isotopes occurring in the vapor. The excitation caused by the first laser radiation is therefore selective and results in a set of excited atoms in which the percentage of the U 23 ^ isotope is well above its percentage.
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satz im Grundzustand liegt. Der zweite Uebergang wird durch den Strahl eines zweiten Lasers bewirkt, welcher bevorzugterweise auf einen zweiten diskreten und ausgewählten Snergieübergang vom ersten Energieniveau auf das gerade unterhalb der Ionisierungsenergie liegende yorbestimmte Energieniveau abgestimmt ist.sentence is in the basic state. The second transition is caused by the beam of a second laser, which preferably to a second discrete and selected energy transition from the first energy level to the yor determined just below the ionization energy Energy level is matched.
Der Ionisierungsschritt v/ird durch gleichzeitige .Einstrahlung aus einem niedrigfrequenten Laser, etwa eines infraroten CO? Lasers, bewirkt, welcher ohne weiteres eine wesentlich höhere Photonendichte liefern kann. Diese höhere Photonendichte macht den für den vom angeregten Atom ausgehenden Ionisierungsschritt verhältnismässig kleinen Wirkungsquerschnitt wieder wett.The ionization step is carried out by simultaneous irradiation from a low-frequency laser, such as an infrared CO ? Laser, which can easily deliver a much higher photon density. This higher photon density makes up for the relatively small cross-section for the ionization step emanating from the excited atom.
Es· liefert die beschriebene Kombination eines ersten und eines zweiten abgestimmten Lasers für die selektive, diskrete Anregung, uit der Verwendung eines Lasers hoher Leistung zur v/irksamen Ionisation die gewünschte Ionisation des Upoc Isotopes. Danach wird dieses Isotop von den nichticnisierten Isotopen getrennt, etwa durch Verwendung von MHD-Kreuzfeld-Beschleuniger, so dass das gewünschte Isotop zur Verwendung zur Verfügung steht.It · provides the described combination of a first and a second tuned laser for selective, discrete excitation, uit the use of one High power laser for effective ionization, the desired ionization of the Upoc isotope. Thereafter this isotope is separated from the non-icnised isotopes, for example by using an MHD cross-field accelerator, so that the desired isotope is available for use.
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Im folgenden soll die Erfindung anhand eiiaes Ausfiihrungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:In the following, the invention will be based on aiiaes Ausfiihrungsbeispiels and the drawing are explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine Energieniveau-Darstellung bisher verwendeter Energie-Uebergänge zur Erreichung einer selektiven Ionisierung;1 shows an energy level representation of previously used ones Energy transitions to achieve a selective Ionization;
Fig. 2 eine Energieniveau-Darstellung des vorgeschlagenen Verfahrens mit drei Energie-Uebergängeiii;Fig. 2 is an energy level representation of the proposed Method with three energy transitionsiii;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines beispieles einer Anlage zur aeLektiven lomdsatioai nand Trennung eines Isotopen J3 shows a schematic representation of an example of a system for selective lomdsatioai nand separation of an isotope J
Fig. 3A eine Abwandlung von Fig. 3; und3A shows a modification of FIG. 3; and
Fig. 4 einen inneren Querschnitt durch die Umlage der Fig. 3.Fig. 4 shows an inner cross section through the fold of the Fig. 3.
Es funktioniert das vorgeschlagene ¥erfaiaren in einer Isotopen-Anreicherungsanlage durch selektive Anregung, und zwar bis zur Ionisation von Partikeln, welclae zaaraämlest Atome oder Moleküle eines Isotopes in einer fegetarag, welche sowohl dieses Isotop wie auch ein oder mekr&re weitere Isotope enthält, umfassen. Es wird das ionisiertem Isotop getrennt angesammelt, um eine Anreicherung dieses Isotopes zu bewirken. Obwohl viele Anwendungsmöglichkeitem bestellen,It works the proposed ¥ erfaiaren in an isotopic enrichment plant by selective excitation, up to the ionization of particles welclae zaaraämlest atoms or molecules of a Isotopes in a fegetarag which both this isotope as well as one or MEKR & re more isotopes contains include. The ionized isotope is collected separately in order to bring about an enrichment of this isotope. Although many uses order,
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wird insbesondere gewünscht, das Uq^b IsotoP des Uraniums in natürlichem Uran oder in einer verarmten Mischung des U235 Isotopes und des wesentlich häufigeren Up3« ^sotoPes anzureichern.it is particularly desirable to enrich the Uq ^ b I soto P of uranium in natural uranium or in a depleted mixture of the U 235 isotope and the much more common Up3 «^ soto P es .
• In einem typischen, in Fig. 1 illustrierten,bekannt en Verfahren für selektive Ionisation wird ein erster Energieübergang 12 vom Grundzustand 14 der Isotopenmischung ausgehend, durch die Verwendung einer genau abgestimmten Laserstrahlung schmaler Bandbreite erzeugt. Der Laser ist auf eine Absorptionslinie des gewünschten Up^c Isotopes abgestimmt, welcher Uebergang 12 vom Grundzustand 14 in einen angeregten Zwischenzustand 16 führt. Die Abstimmung des Lasers ist hinreichend genau, um eineAnregung des gewünschten Up„,- Isotopes ohne entsprechende Anregung anderer Uranium Isotopen zu gewährleisten. Nach dem Uebergang 12 wird der Energiezustand 16 eine merklich höhere Konsentration des gewünschten Up„r Isotopes aufweisen als die im Grundzustand 14 befindliche Gesamtheit.• In a typical, illustrated in Fig. 1, known A first energy transition 12 from the ground state 14 of the isotope mixture is a method for selective ionization based on the use of precisely matched laser radiation with a narrow bandwidth. The laser is on an absorption line of the desired Up ^ c isotope matched which transition 12 leads from the basic state 14 to an excited intermediate state 16. The vote of the laser is sufficiently accurate to excite the desired Up ", - Isotopes without corresponding stimulation of others Ensure uranium isotopes. After the transition 12, the energy state 16 becomes a noticeably higher concentration of the desired Upr isotope than that in the Basic state 14 ensemble.
Gleichzeitiges Einstrahlen einer Strahlung von einem zweiten Laser, welcher nicht so genau abgestimmt sein muss wie der erste, bewirkt einen zweiten Uebergang 18, der angeregten und im Zwischenzustand 16 befindlichen Atome des Isotopes. Die Gesanitenergie der Uebergänge 12 409839/0618 Simultaneous irradiation of radiation from a second laser, which does not have to be tuned as precisely as the first, causes a second transition 18, the excited atoms of the isotope that are in the intermediate state 16. The Sanitary Energy of Transitions 12 409839/0618
und 18 ist zumindest gleich dem durch das Niveau 20 der Fig. 1 dargestellten Ionisationspotentials des U235 Isotopes, vorzugsweise aber grosser als dieses. Es hebt somit der Uebergang 18 das Energieniveau des gewünschten Isotopes aus dem Zwischenzustand 16 in das Ionisierungsgebiet 22. Dann hat das ionisierte Teilchen oder das Atom des gewünschten Up35 Isotopes eine positive Ladung, im Gegensatz zu den im allgemeinen elektrisch neutralen Zustand der übrigen Uraniumteilehen. Dementsprechend werden die ionisierten Atome, wie weiter unten beschrieben, durch Verwendung eines MHD-Kreuzfeld-Beschleunigers getrennt.and 18 is at least equal to the ionization potential of the U 235 isotope represented by level 20 in FIG. 1, but preferably greater than this. The transition 18 thus raises the energy level of the desired isotope from the intermediate state 16 into the ionization region 22. Then the ionized particle or the atom of the desired Up35 isotope has a positive charge, in contrast to the generally electrically neutral state of the other uranium particles. Accordingly, as described below, the ionized atoms are separated using an MHD cross-field accelerator.
Es ist aus der Theorie und aus dem Experiment bekannt, dass der Wirkungsquerschnitt für Photonen-Absorption zur Erzeugung eines diskreten Ueberganges, wie unter 12 gezeigt, wesentlich grosser ist als der Wirkungsquerschnitt für einen unter 18 gezeigten lonisationsübergang. Typische Wirkungsquerschnitte für den Uebergang 12 sind etwa drei Grössenordnungen grosser als diejenigen für den Uebergang 18. Je grosser der Wirkungsquerschnitt eines Ueberganges ist, je grosser ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes Atom des gewünschten Up__ Isotopes mit einem Photon der eingestrahlten Strahlung zusammenwirkt, und dass ein Energieübergang stattfindet. Anders ausgedrückt, jeIt is known from theory and from experiment that the cross section for photon absorption to generate a discrete transition, as shown under 12, is much larger than the effective cross-section for an ionization transition shown under 18. Typical effective cross-sections for the transition 12 are about three Orders of magnitude larger than those for the transition 18. The larger the cross-section of a transition is, the greater the probability that a certain atom of the desired Up__ isotope with a Photon of the radiated radiation interacts, and that an energy transition takes place. In other words, ever
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grösser der Wirkungsquerschnitt, je kleiner ist die Strahlungsintensität, welche benötigt wird, um die gewünschten Uebergänge zu bewirken. Dementsprechend mögen zwar viele Uraniumatome auf Grund der genau abgestimmten ersten Laserstrahlung vom Grundzustand in den Zwischenzustand 16 angehoben werden, es wird jedoch eine merklich geringere Anzahl vom Zustand 16 in das Gebiet 22 ionisiert, vorausgesetzt, dass beide Laserstrahlen dieselbe Photonendichte aufweisen. Angesicht dieser kleineren Ionisationswahrscheinlichkeit, ausgehend vom angeregten Zustand, wird eine ansehnliche Anzahl in den Zustand 16 angeregter Uraniumatome nicht ionisiert werden.the larger the cross section, the smaller the radiation intensity, which is needed to bring about the desired transitions. Accordingly, many like it Uranium atoms are raised from the ground state to the intermediate state 16 due to the precisely coordinated first laser radiation are ionized, however, a noticeably smaller number of them are ionized from state 16 to region 22, provided that that both laser beams have the same photon density. In view of this lower ionization probability, starting from the excited state, a considerable number of uranium atoms excited to the 16 state are not ionized.
Um diese Beschränkung zu umgehen und die Ionisationsausbeute zu erhöhen, kann die Photonendichte in der für den Uebergang 18 verwendeten Laserstrahlung erhöht werden. Es ist jedoch die Ionisationsenergie des Ueberganges 18, wie aus der Darstellung von Fig. 1 ersichtlich, etwa gleich der halben Ionisationsenergie des Urans. Da das Ionisationspotential des Urans etwa 6,2 Elektronvolt beträgt, muss man normalerweise für den Uebergang 18 eine Photonenenergie von etwa 3,0 Elektronvolt zur Verfügung stellen, oder, in einer viel verwendeten Schreibweise, eine Wellenzahl von 25*000. In diesem EnergiegebietIn order to circumvent this limitation and to increase the ionization yield, the photon density in the for the transition 18 used laser radiation can be increased. However, it is the ionization energy of the transition 18, as can be seen from the illustration in FIG. 1, is approximately equal to half the ionization energy of uranium. There the ionization potential of uranium is about 6.2 electron volts, you normally have to make transition 18 a photon energy of about 3.0 electron volts is available or, in a widely used notation, a wave number of 25 * 000. In this energy area
sind keine wirksamen Quellen hochintensiver Laserstrahlung 409839/0613 are not effective sources of high-intensity laser radiation 409839/0613
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bekannt. Die zur Zeit zur Verfügung stehenden Laserquellen hoher Intensität zur Abgabe eines Photonenstromes hoher Dichte arbeiten in oder nahe bei dem infrarotem Gebiet desSpektrums, wobei die Photonen energie um mehr als eine Grössenordnung kleiner ist als die typischerweise verwendete Energie für den Uebergang 18.known. The currently available laser sources high intensity to emit a stream of photons higher Density work in or near the infrared region of the spectrum, with the photon having energy by more than one Is an order of magnitude smaller than the energy typically used for the transition 18.
Das hier beschriebene Verfahren, welches die Verwendung einer hochintensiven Strahlungsquelle hohen Wirkungsgrades für den Ionisierungsübergang gestattet, kann am besten unter Bezugnahme auf das Energiediagraraa der Figur 2 verstanden v/erden. Ein erster Uebergang 26. hebt das gewünschte Up-,- Isotop von einem Grundzustand in einen ersten angeregten Energiezustand 28, welcher sich weit unterhalb des Ionisations-Niveau 30 befindet. Die für den Uebergang 26 verwendete Laser-Strahlung wird von einem genau abgestimmten Laser geliefert, beispielsweise von einem abstimmbaren Farblaser, wie weiter unten beschrieben. Die auf den Uebergang 26 genau abgestimmte Laserstrahlung erregt einen direkten Uebergang des U^35 Isotopes an, ohne eine entsprechende Anregung eines Ueberganges des Up„„ oder anderer Isotope zu bewirken.The method described here, which allows the use of a high-intensity radiation source of high efficiency for the ionization transition, can best be understood with reference to the energy diagram of FIG. A first transition 26 lifts the desired Up, - isotope from a ground state into a first excited energy state 28, which is far below the ionization level 30. The laser radiation used for the transition 26 is provided by a precisely tuned laser, as described below, for example, a tunable dye laser. The laser radiation, which is precisely matched to the transition 26, excites a direct transition of the U ^ 35 isotope without causing a corresponding excitation of a transition of the Up "" or other isotopes.
Ein zweiter, vom Energie-Niveau 28 ausgehender Uebergang 32 wird etwa durch Beleuchtung mit einen zweitenA second transition 32, starting from the energy level 28, is made, for example, by lighting with a second one
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Laser angeregt. Es wird vorzugsweise die Frequenz der zweiten Strahlung abgestimmt sein, um einem weiteren diskreten Energieübergang des Upon Isotopes vom Niveau auf ein zweites Niveau 34 zu entsprechen. Das Energieniveau 34 liegt nur. v/enig unterhalb des Ionisierungsniveaux 30. Die Energiemenge, welche notwendig ist, um ausgehend vom Niveau 34 eine Ionisation zu erzeugen, entspricht der Energie von Photonen im infraroten Teil des Spektrums, eines Gebietes, für welches wirksame Laser hoher Intensität zur Verfügung stehen, welche eine hohe Photonendichte erzeugen können. Typische Beispiele solcher Laser umfassen den wohlbekannten C0? Laser, es können aber auch andere Laser mit einer Frequenzzahl von weniger als tausend bis einigen tausend verwendet werden. Diese Strahlung niedriger Frequenz bewirkt den Ionisierungsübergang 35.Laser excited. The frequency of the second radiation will preferably be tuned to correspond to a further discrete energy transition of the upon isotope from level to a second level 34. The energy level 34 just lies. slightly below the ionization level 30. The amount of energy which is necessary to generate an ionization starting from level 34 corresponds to the energy of photons in the infrared part of the spectrum, an area for which effective lasers of high intensity are available can generate a high density of photons. Typical examples of such lasers include the well-known C0 ? Lasers, but other lasers with frequencies from less than a thousand to a few thousand can also be used. This low frequency radiation causes the ionization transition 35.
Daraus kann ersehen werden,, dass das Verfahren der Figur 2 eine wirksame, selektive Ionisierung eines gewünschten Isotopes, insbesondere des Urans U335 gestattet, wobei typischerweise eine dreistufige Anregung durchgangen wird.From this it can be seen that the method of FIG. 2 permits an effective, selective ionization of a desired isotope, in particular uranium U 335 , with a three-stage excitation typically being carried out.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Anlage zur Durchführung der Ionisation in drei Stufen, welche Anlage eine Anpassung des im Französischen Patent Nr. 71.14007 beschriebenen Systems ist, veröffentlicht unter der 409839/06 1 8 3 and 4 show a system for carrying out the ionization in three stages, which system is an adaptation of the system described in French patent no. 71.14007 published under 409839/06 1 8
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Nr. 2.094.967. Es wird hier auf dieses Patent bezuggenommen. Bezugnehmend auf Figur 3 weist eine erste Laser-Vorrichtung 36 ein anregbares Medium 38 auf, welches durch das Anregungssystem 40 für eine vorgegebene Strahldauer, üblicherweise ein Bruchteil einer Microsekunde, angeregt wird, und zwar auf ein Signal des Taktgeber 42 hin. Eine Abstimmvorrichtung 44 steuert die Frequenz und die Bandbreite des aus dem Medium 3S~austretenden Strahlenbündels 46, um ein genau bestimmtes, schmales Band für die selektive Anregung zu erhalten, wie weiter oben angedeutet. No. 2,094,967. Reference is made here to this patent. Referring to Figure 3, a first Laser device 36 has a stimulable medium 38, which is generated by the stimulation system 40 for a predetermined beam duration, usually a fraction of a microsecond, is excited, specifically in response to a signal from the clock generator 42 there. A tuning device 44 controls the frequency and the bandwidth of the beam emerging from the medium 3S ~ 46 in order to obtain a precisely defined, narrow band for the selective excitation, as indicated above.
Die Lasereinrichtung 36 kann beispielsweise einer der im Handel erhältlichen Dial-A-Line-Laser der Avco Everett Research Laboratory Laser enthalten, wie in der U.S. Patentschrift 3.684.979 beschrieben. Es wird der Laserstrahl 46 in seiner Frequenz und Bandbreite eingestellt, um einerder Absorptionslinien des U235 Isotopes zu entsprechen und die Frequenz-Streuung des Strahles 46 wird schmal gehalten, um zu vermeiden, dass sie merklich mit einer benachbarten Absorptionslinie des unerwünschten Isotopes überlappt. Falls notwendig oder erwünscht, kann ein Eichfilter verwendet werden, um die Bandbreite der Frequenz des Strahles 46 einzuschränken, und es könnenThe laser device 36 may include, for example, one of the commercially available dial-a-line lasers from Avco Everett Research Laboratory Lasers, as described in US Pat. No. 3,684,979. The frequency and bandwidth of the laser beam 46 is adjusted to correspond to one of the absorption lines of the U 235 isotope and the frequency spread of the beam 46 is kept narrow in order to avoid that it noticeably overlaps with an adjacent absorption line of the undesired isotope. If necessary or desired, a calibration filter can be used to narrow the bandwidth of the frequency of the beam 46, and it can
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eine oder zwei Strahlvers tärkungs stufen verwendet werden. Eine typische Frequenz zur Erzeugung des Ueberganges 26 kann in der Literatur gefunden werden, so etwa in LA-4501, "Jetziger Stand der Analyse des ersten und zweiten Spektrums von Uran (UI und Uli), abgeleitet aus Messungen optischer Spektren", herausgegeben vom los Alamos wissenschaftlichen Laboratorium der Universität Kalifornien.one or two jet intensification levels can be used. A typical frequency for generating transition 26 can be found in the literature such as LA-4501, "Current State of Analysis of the First and Second Spectrum of uranium (UI and Uli), derived from measurements of optical Spectra "published by the Los Alamos Scientific Laboratory of the University of California.
Der Strahl 46 durchquert einen dichroitischen Spiegel 48, wo ihm ein von einem zweiten Lasersystem 52 kommender Strahl 50 überlagert wird. Dieses zweite Lasersystem wird üblicherweise dem Lasersystem 36 ähnlich sein und auf den in Fig. 2 gezeigten zweiten Uebergang 32 abgestimmt sein. Das Strahlenbündel 54 besteht aus der Ueberlagerung der Bündel 46 und 50. Es kann die genaue Frequenz des zweiten Ueberganges 32 experimentell bestimmt werden, indem die Frequenz des auf das angeregte U2^5 Isotop gerichteten Laserstrahles 50 verändert wird, bis spektroskopisch eine Absorptionslinie festgestellt wird. Es ist zu bemerken, dass ein Uebergang von genügender Energie gewünscht wird, um ein Niveau 34 zu erreichen, welches nur wenig unterhalb des Ionisationsniveau liegt.The beam 46 passes through a dichroic mirror 48, where a beam 50 coming from a second laser system 52 is superimposed on it. This second laser system will usually be similar to the laser system 36 and be matched to the second transition 32 shown in FIG. The beam 54 consists of the superposition of the beams 46 and 50. The exact frequency of the second transition 32 can be determined experimentally by changing the frequency of the laser beam 50 directed at the excited U 2 ^ 5 isotope until an absorption line is determined spectroscopically . It should be noted that a transition of sufficient energy is desired to reach a level 34 which is only slightly below the ionization level.
Ein Lasersystem 60 liefert ein Bündel 58, welches mit dem dichroitischen -Spiegel 56 mit dem Bündel 54 über-A laser system 60 delivers a bundle 58, which with the dichroic mirror 56 with the bundle 54
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lagert wird, um ein zusammengesetztes Bündel 62 zu bilden, welches gleichzeitig Strahlungsenergie dreier getrennter Strahlungen aufweist. Ueblicherweise wird das Lasersystem 60 ein CO2 Laser sein, welcher eine intensive Strahlung im Energiegebiet von Photonen mit einer Wellenzahl von weniger als tausend bis zu einigen tausend aufweist. Solche Laser sind dem Fachmann wohlbekannt.is stored to form a composite bundle 62 which simultaneously has radiant energy of three separate radiations. The laser system 60 will usually be a CO 2 laser which has intense radiation in the energy region of photons with a wave number of less than a thousand up to a few thousand. Such lasers are well known to those skilled in the art.
Für gewisse Anwendung kann es vorteilhafter sein, die Bündel 58 und 54 durch allmähliche Konvergenz zu er reichen, anstatt unter Hilfenahme eines dichroitrischen Spiegels 56. Die Figur 3A zeigt eine entsprechende Ausführung. Indem auf dem Weg des Bündels 58 ein Spiegel 56a liegt, nicht aber im Wege des Bündels 54, wird der Bündel 58 in eine zum Bündel 54 nahezu parallele Richtung umgelenkt, aber dennoch so, dass er leicht mit diesem konvergiert, so dass nach einer bestimmten Weglänge der zusammengesetzte Bündel 62a entsteht.For certain applications it may be more advantageous to reach the bundles 58 and 54 by gradual convergence, instead of using a dichroic Mirror 56. Figure 3A shows a corresponding embodiment. By placing a mirror on the path of the bundle 58 56a, but not in the way of the bundle 54, the bundle 58 becomes in a direction almost parallel to the bundle 54 deflected, but still so that it easily converges with this, so that after a certain path the composite bundle 62a arises.
Bas Bündel 62 {oder 62a), welches· aus der Kombination der Bündel 54 und 58 durch den dichroitischen Spiegel 56 entstanden ist, tritt durch ein für die Frequenzen des Bündels 62 durchlässiges Fenster 66 in eine Vakuumkammer 64 ein. Das Fenster 66 kann aus Quarzkristall bestehen. Um die Uranverschmutzung 66 klein zu halten,Bas bundle 62 {or 62a), which · from the combination the bundle 54 and 58 is created by the dichroic mirror 56, occurs through a for the frequencies of the bundle 62 a permeable window 66 into a vacuum chamber 64. The window 66 can be made of quartz crystal exist. To keep uranium pollution 66 small,
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durchläuft der Strahl 62 ein Eohr 67. Danach durchläuft das Bündel 62 ein Einwirkungsgebiet 68, welches oberhalb einer ürandampfquelle 70 in einem üranionensammler 72 liegt. Ueblicherweise wird das Bündel 62 die Vakuumkammer 64 über ein weiteres Eohr 73 und durch ein Fenster 74 verlassen, um danach in ein weiteres Eohr 76 einzutreten, an welches eine weitere, ähnliche Vakuumkammer ansehliesst, so dass das Laserbündel 62 eine ansehnliche Länge von Einiriirkungs gebiet en, wie das Gebiet .68 durchquert, um mög- --liehst viele Photonen des Bündels zu verwenden. Sine Vakuumpumpe 78 ist über die Leitung 80 mit der Kammer 64 verbunden, um innerhalb derselben einen niedrigen Druck aufrecht zu erhalten, damit der gewünschte Prozess nicht durch Verbrennung von üraniumdämpfen oder Ablenkung des Teilchenstromes beeinträchtigt wird.The ray 62 passes through an Eohr 67. Thereafter it passes through the bundle 62 an area of action 68, which above a uranium vapor source 70 in a uranion collector 72 lies. Usually the bundle 62 becomes the vacuum chamber 64 via another Eohr 73 and through a window 74 in order to then enter another Eohr 76, to which a further, similar vacuum chamber is attached, so that the laser beam 62 has a considerable length of Einiriirkungs areas how the area .68 crosses in order to use as many photons of the bundle as possible. Sine vacuum pump 78 is connected to chamber 64 via line 80 to maintain a low pressure therein to maintain the desired process not by burning uranium fumes or deflecting the Particle flow is impaired.
Bie Fig. 4 zeigt einen Schnitt der Kammer 64 längs der Linie 4-4 in der Fig. 3. Die ürandampfquelle 70 liefert einen radial sich ausdehnenden Dampfstrora 82 in Richtung auf die Ionenfalle 72, Zur Herstellung dieses Dampfes 82 kann die Quelle 70, wie im oben genannten Französischen Patent 71.14007 beschrieben, ausgeführt sein, und wird üblicherweise lütte! aufweisen, um einen Urantiegel auf dessen Verdampfungstemperatur zu erhitzen,FIG. 4 shows a section of the chamber 64 along the line 4-4 in FIG. 3. The natural steam source 70 supplies a radially expanding steam stream 82 in Towards the ion trap 72, to produce this Steam 82 can the source 70, as described in the above-mentioned French patent 71.14007, performed be, and will usually be lütte! have to have a To heat uranium crucibles to its evaporation temperature,
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sowie Kollimatorschlitze zur Ausrichtung des Dampfes 82 in Richtung auf die Ionenfalle 72.and collimator slots for directing vapor 82 toward ion trap 72.
Der Urandampf 82 tritt in das Einwirkungsgebiet 68 der Ionenfalle 72 ein, auf welches der Laserstrahl gerichtet ist, um eine selektives Ionisieren des U235 Isotopes zu bewirken. Die im resultierenden Plasma befindlichen U00^ Ionen werden auf einer Platte der Ionen d.00 The uranium vapor 82 enters the area of action 68 of the ion trap 72, onto which the laser beam is directed in order to effect a selective ionization of the U 235 isotope. The U 00 ^ ions in the resulting plasma are placed on a plate of ions d.00
falle 72 angesammelt, unter Verwendung MHD Kreuzfeld-Beschleunigung, wie beispielsweise in oben erwähntem Französischem Patent Nr. 71.14007 beschrieben. Zur Erzeugung dieses gekreuzten Feldes liefert eine etwa Spulen und " eine Stromquelle aufweisende magnetische Feldquelle 84 im Gebiet 68 ein magnetisches Feld, während eine,nicht dargestellte Elektroden aufweisende, elektrische Feldquelle 86 in der Ionenfalle 72 während kurzer - meist zwei Millisekunden nicht überschreitender - Zeiträume ein elektrisches Feld erzeugt. Dieser Zeitintervall entspricht etwa der Ladungsaustauschzeit unter den vorliegenden Bedingungen. Ein Zeitgeber 88 ist mit den Taktgebern 42 in den Lasersystemen 36, 52 und 60 verbunden, um das elektrische Feld und die entsprechenden Querbeschleunigungs· kräfte direkt nach der Einwirkung des zusammengesetzten Laserbündels 62 zu liefern. Es können die beschleunigtentrap 72 accumulated, using MHD cross-field acceleration, as described, for example, in above-mentioned French Patent No. 71.14007. To the generation this crossed field is provided by a magnetic field source 84 having, for example, coils and a current source a magnetic field in area 68, while an electric field source, not shown, has electrodes 86 in the ion trap 72 for short periods of time, usually not exceeding two milliseconds creates an electric field. This time interval corresponds approximately to the charge exchange time under the present conditions. A timer 88 is with the timers 42 in the laser systems 36, 52 and 60 are connected to the electric field and the corresponding lateral acceleration · forces immediately after the action of the compound Laser beam 62 to deliver. It can be the accelerated
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Ionen auf einer in ihrem V»Tege gelegenen Platte 92 aufgefangen werden, zwecks periodischer Entnahme des angereicherten Urans. Eine Platte 90 sammelt die übrigen Komponenten des DampfStrahles. In einer bevorzugten Verwendungsart wird der Laserstrahl 62 und die darauf folgenden gekreuzten Felder durch den Zeitgeber 88 periodisch ausgelöst, um die Ionisation und das Einsammeln aller möglichen Teilchen des U235 Isotopes zu ermöglichen.Ions are collected on a plate 92 located in their V » T ege, for the purpose of periodic removal of the enriched uranium. A plate 90 collects the remaining components of the steam jet. In a preferred mode of use, the laser beam 62 and the subsequent crossed fields are triggered periodically by the timer 88 to allow ionization and the collection of all possible particles of the U 235 isotope.
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Claims (29)
höherer Photonendichte als diejenigen der ersten und
zweiten Strahlungen durchgeführt wird.14. The method according to claim 13, characterized in that the irradiation of further radiation energy into the environment by means of radiation of substantially
higher photon density than those of the first and
second radiations is carried out.
einen Isotopen, aber keinem Energiesprung der anderen
Isotopen entsprechen.16. The method according to claim 13, characterized in that the irradiation of the first radiation is carried out over a narrow bandwidth and at a frequency that corresponds to a discrete energy jump
one isotope, but no jump in energy from the other
Isotopes.
wird.17. The method according to claim 16, characterized in that the irradiation of the second radiation causes a selective excitation of the one isotope from said first to said second excited state
will.
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