DE2518833A1

DE2518833A1 - Vorrichtung und verfahren zur isotopen-photoanregung

Info

Publication number: DE2518833A1
Application number: DE19752518833
Authority: DE
Inventors: Horace W Furumoto; @@ Levin Lawrence A; Charles T Pike
Original assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Current assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Priority date: 1974-04-29
Filing date: 1975-04-28
Publication date: 1975-11-06
Also published as: SE7504955L; CH613630A5; FR2333561B1; AU501659B2; NL7505088A; IL47100A; FR2333561A1; ES437213A1; AU8063375A; IL47100A0

Description

Jersey Nuclear-Avco Isotopes, Inc., Bellevue, Washington (V. St. A.)

Vorrichtung und Verfahren zur Isotopen-Photoanregung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Isotopen-Photoanregung, insbesondere zur Erhöhung des Grades der Photoanregung in einem Werkstoff.

Ein geeignet abgestimmter Laserstrahl ist eine für den praktischen Gebrauch geeignete Photonenquelle zum Erzeugen einer isotopenselektiven Anregung der Hüllenelektronen in einem Werkstoff im molekularen oder elementaren Zustand und insbesondere in dessen Dampf (Gas). Bei einer Anwendung dieser Technologie (vgl. US-PS 3 772 519) wird die Strahlungsenergie von Lasergeräten zur selektiven Photoionisat ion eines Uranisotops,

052-(JNA-19)-Ko-r (8)

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insbesondere U , in bezug auf die anderen Uranisotope verwendet. Hierzu wird das Uran zuerst in der Form eines Dampfes (gasförmig) hergestellt, dessen U -Teilchen anschließend laserionisiert werden. Die photoionisierten U „ -Teilchen werden sodann vorzugsweise zum getrennten Sammeln mittels magnetohydrodynamischer Kräfte aus der Dampfumgebung oder dem Dampfbereich beschleunigt.

Eine theoretische Untersuchung der die selektive Photoanregung beherrschenden Faktoren zeigt, daß bei einer monochromatischen Strahlung konstanter Frequenz 50 % der verfügbaren, bestrahlten Atome im Urandampf in einem photoangeregten Zustand, während 50 % im unangeregten Zustand, insbesondere im Grundzustand, in jedem Zeitpunkt sind. Diese theoretische Einschränkung ist wegen ihres Einflusses auf die Ausbeute bei der Anreicherung für die Planung industriellen Niveau-Anreicher ungs verfahr ens von Bedeutung.

Bei einer weiteren Anwendung der Technologie einer Photoanregung verwendenden Laserstrahlungsenergie ist es üblich, eine oder mehrere Laserverstärkungsstufen auf dem Ausgang eines Lasergeräts geringer Energie in Kaskade zu schalten, um die Energie des Lasergerätes auf höhere Pegel zu verstärken. Die Laserbedingung in jeder Verstärkungsstufe beruht insbesondere auf dem Vorliegen einer Besetzungsumkehr, bei der die Hüllenelektronen von Teilchen in einem Lasermedium auf ein vorbestimmtes Energieniveau angeregt sind, so daß ein größerer Prozentsatz der Teilchen des Mediums auf dieses bestimmte Energieniveau als der Anteil der Teilchen des Mediums in einem tiefer liegenden Energieniveau angeregt ist. Diese Bedingungen sind theoretisch für einen gleichzeitigen Übergang (oder ein gleichzeitiges Herabfallen) der ange-

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regten Teilchen auf das tieferliegende Energieniveau erforderlich, das seinerseits zum Erzeugen der Laserstrahlungsenergie führt. Die durch das Lasermedium unter diesen Umständen erzeugte Energie steht in direkter Beziehung zur Anzahl der angeregten Teilchen im Medium. Bei einer Laservorrichtung mit zwei Niveaus begrenzen die gleichen oben erläuterten theoretischen Bedingungen die Anzahl der angeregten Teilchen auf 50 % der verfügbaren Teilchen und schränken dadurch entsprechend die Laserausgangsenergie ein.

Wenn zusätziicli eine selektive Photoanregung von Teilchen durch Laserenergie gewünscht wird, kann eine wesentliche Frequenzverbreiterung in den Absorptionslinien der selektiv anzuregenden Teilchen aufgrund z. B. einer Zeeman-Aufspaltung der Energieniveaus vorliegen. Das Vorhandensein dieser Aufspaltung oder die Verbreiterung des ursprünglichen Energieniveaus in zahlreiche, einen Energiebereich überdeckende Niveaus kann zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit der Anregung führen, was insbesondere dann gilt, wenn eine Laserstrahlung mit sehr schmaler Bandbreite verwendet wird, wie dies bei einer selektiven Photoanregung der Fall ist, wobei die Laserstrahlung einen schmaleren Frequenzbereich als die Breite der Absorptionslinie für die photoangeregten Teilchen überdeckt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Bedingungen einer adiabatischen Besetzungsumkehr für die Teilchen einer ausgewählten Isotopenart erzeugt, um die Leistungsfähigkeit oder den Wirkungsgrad der Isotopentrennung zu verbessern. Die Erfindung kann dabei auch zum Erzeugen einer adiabatischen Besetzungsumkehr verwendet werden, um den Laserwirkungsgrad beim Anregen eines Lasermediums zu verbessern.

5 0 9 S /* ο / C S 0 6

Eine adiabatische Besetzungsumkehr wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß die Frequenz der Laser-Photoanregungsstrahlung über einem Frequenzbereich gesteuert gewobbelt wird. Der Bereich ist in dem besonderen Fall einer isotopenselektiven Anregung so ausgewählt, daß er im bestrahlten Werkstoff nicht die Isotopieverschiebungen überschreitet. Die Wobbeifrequenz ist so gewählt, daß sie besondere Einschränkungen in bezug auf die Lebensdauern der angeregten Zustände und die Laserstärke oder -intensität erfüllt.

Bei der Urananreicherung entleert die isotopenselektive adiabatische Besetzungsumkehr die Grundenergieniveaus für das gewünschte Uranisotop zugunsten eines angehobenen oder angeregten Energieniveaus, von dem aus eine weitere Laserstrahlung in einer oder in mehreren Energiestufen Photoionisation erzeugt. Durch Entleeren des Grundniveaus wird eine größere Ausbeute der ionisierten Teilchen erreicht. Die selektiv photoionisierten Uranionen können dann mittels magnetohydrodynamischer Beschleunigungskräfte getrennt werden (vgl. US-PS 3 772519).

Bei einer weiteren Anwendung der Erfindung auf die Laser verstärkung ist die durch adiabatische Besetzungsumkehr erreichte erhöhte Besetzungsdichte des angeregten Zustandes eine Bedingung, die die Photonendichte insgesamt in einem Laserverstärker erhöht. Die Entleerung der Grundniveaus erlaubt auch eine praktische Verwirklichung eines UV-Lasergeräts hoher Photonenenergie, indem über zusätzliche Energiestufen auf ein angeregtes Niveau angeregt wird, von dem aus jeder Übergang zum Grundniveau ein UV-Photon erzeugt.

Die Erfindung sieht also ein Verfahren und eine Vorrichtung zur iso-

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topenselektiven adiabatischen Besetzungsumkehr vor, insbesondere für eine verbesserte Leistungsfähigkeit bei der Isotopentrennung. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung induziert eine gewobbelte (engl. auch "chirped", wörtlich: "zwitschernde") Laserstrahlung eine Photoionisation eines dampfförmigen Werkstoffes in isotopenselektiver Anregung und Ionisationsenergiestufen. Ein Frequenzwobbein ist in der Anregungs-Laserstrahlung mit gesteuerter Frequenz und über einem Frequenzbereich vorgesehen, der zur Verhinderung eines Selektivitätsverlustes bei der Anregung begrenzt ist. Die frequenzgewobbelte Strahlung kann theoretisch 100 % Besetzungsumkehr der Teilchen des Grundniveaus im Dampf erzeugen. Mit der Erfindung ist weiterhin eine Anregung eines Werkstoffes auf sehr hohe Energiezustände möglich, was für einen hochfrequenten UV-Laserbetrieb vorteilhaft ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein .Energieniveau-Diagramm,
Fig. 2 ein Blockschaltbild,

Fig. 3 eine insbesondere zur Isotopenanreicherung geeignete Vorrichtung ,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Teil der in der Fig. 3 gezeigten Vorrichtung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Lasergeräts,

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Fig. 6 ein Signal zur Erläuterung des Betriebs des in der Fig. 5 dargestellten Geräts, und

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines anderen Lasergeräts.

Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Photoanregung vor, um eine adiabatische Besetzungsumkehr in den Energiezuständen der Teilchen in einem Medium hervorzurufen. Die Vorrichtung zum Erzeugen der adiabatischen Besetzungsumkehr erlaubt theoretisch eine lOOprozentige Anregung aller bestrahlten Medium-Teilchen von einem Grundenergieniveau oder einem niedrigen Energieniveau aus zu einem erhöhten, angeregten Energieniveau. Diese adiabatische Besetzungsumkehr ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad bei der Isotopentrennung, insbesondere der Urananreicherung ; si e führt zu höheren Verstärkungen in Laser-Verstärkern und verbessert die Zuverlässigkeit hochenergetischer, insbesondere UV-Lasergeräte .

Die adiabatische Besetzungsumkehr wird durch Wobbein der Frequenz eines Änregungs-Lasergeräts über einer Absorptions linie für eine Isotopenart in einem Medium oder einer Umgebung erreicht, auf die die Laserstrahlung einwirkt. Die Breite und die Geschwindigkeit des Frequenzwobbelns zum Erzeugen der adiabatischen Besetzungsumkehr sind durch die Eigenschaften der Anregungs-Laserfrequenz entsprechend einem bestimmten Übergang in dem anzuregenden Isotop sowie durch den Bereich jeder bedeutenden Aufspaltung oder Verbreiterung der entarteten Niveaus im Grundzustand oder in den angeregten Zuständen festgelegt. Der Wobbelfrequenzbereich ist so ausgewählt, daß er die verbreiterte Absorptionslinie für die durch Aufspaltung entarteten Niveaus einschließt.

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Diese theoretischen Überlegungen werden am besten anhand der Fig. 1 erläutert, in der Energieniveaus und Übergänge zwischen den Energieniveaus mit einer selektiven Anregung ohne und mit der Erfindung beispielsweise dargestellt sind.

In der Fig. 1 ist eine Folge von Übergängen oder Energiestufen gezeigt, die auf der theoretischen Verteilung atomarer Teilchen in angeregten Energieniveaus 16 und Grundenergieniveaus 14 eines Mediums beruhen, das mit einer auf die Frequenz dieser Energiestufe abgestimmten Laserstrahlung bestrahlt ist. Bei einer isotopenselektiven Photoanregung wird die Laserstrahlung abgestimmt, um einen Übergang 18 vom Grundenergieniveau oder -zustand 14 auf das angeregte Niveau 16 zu erzeugen. Ein Übergang 20 von einem Energieniveau 24 auf das Grundniveau 22 herab hat eine identische Energiestufe oder -verschiebung, wenn angenommen wird, daß die Energieniveaus nicht entartet sind. Bei Vorliegen dieser Laserstrahlung werden die Grundniveau-Teilchen eines geeigneten Isotops von der Laserstrahlung durch ihre Absorptionslinie zur Anregung auf das Energieniveau 16 angeregt. Die gleiche Photonenenergie ist jedoch vorteilhaft, um eine stimulierte Emission zu erzeugen, die zum entgegengesetzten Übergang 20 vom erhöhten Niveau 16 zum Grundniveau 14 führt. Die Wahrscheinlichkeiten für diese beiden Ereignisse sind für die bestrahlten Teilchen gleich, was theoretisch zu einer Besetzung von 50 % des Niveaus 16 und zu einer Besetzung von 50 % des Niveaus 14 führt. Als Ergebnis sind lediglich 50 % der ursprünglichen Grundzustand-A tome im Energieniveau 16 zur Photoionisation in das Kontinuum 24 in einem folgenden Übergang 22 verfügbar. Wenn eine photoionisierende Strahlung von vorzugsweise einem zweiten Lasergerät einwirkt, um einen Übergang 22 gleichzeitig mit der Strah-

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lung für den Übergang 18 zu erzeugen, wird das Niveau 16 kontinuierlich durch Übergänge in den Ionisationsbereich 24 entleert, der gegebenenfalls einen größeren Prozentsatz der Grundniveau-Atome aus dem Niveau 14 entleert.

Eine direktere und leistungsfähigere Möglichkeit zum Erzielen eines höheren Prozentsatzes angeregter Atome und demgemäß photoionisierter Atome liegt in der Verwendung eines Überganges 26 (Fig. l), der eine adiabatische Besetzungsumkehr der Grundniveau-A tome auf ein erhöhtes Energieniveau 24 erzeugt. Diese adiabatische Besetzungsumkehr wird durch Wobbein der Frequenz der anregenden Laserstrahlung über einem Bereich einschließlich der Frequenz des Überganges 26 mit vorbestimmter Geschwindigkeit erreicht. Wenn die unten zu erläuternden theoretischen Bedingungen erfüllt sind, zwingt die Frequenzänderung in der Strahlung jedes Teilchen eher zu einem Umschalten seines Energiezustandes als zum Einnehmen einer Wahrscheinlichkeitsverteilung der besetzten Energiezustände, wie diese oben erläutert wurde. Wenn so alle oder im wesentlichen alle Atome ursprünglich auf dem Grundniveau sind, bewirkt die gewobbelte Anregung eine nahezu vollständige Verschiebung auf das Niveau 16. Beliebige Teilchen, die ursprünglich auf dem Niveau 16 waren, werden entsprechend auf das Niveau 14 (diskret) geändert oder geschaltet (engl.: switch), aber dies kann im allgemeinen als vernachlässigbarer oder unbedeutender Bruchteil betrachtet werden. Wenn im wesentlichen alle Atome auf das Niveau 16 angeregt sind, so sind alle bestrahlten Atome in einem Zustand, um vom Niveau 16 zum Kontinuum 24 photoionisiert zu werden.

Bei einem weiteren Anwendungsbeispiel der Erfindung kann ein

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Laserverstärker mit einer adiabatischen Besetzungsumkehr noch wirksamer betrieben werden. In diesem Fall kann eine Besetzungsumkehr durch den Übergang 26 zum Energieniveau 16 hervorgerufen wanden, von dem aus eine spontane Emission zurück zum Grundniveau 14 zum Erzeugen einer Laserstrahlung führt. Bei einem weiteren Anwendungsbeispiel ermöglicht die erfindungsgemäße adiabatische Besetzungsumkehr Lasergeräte höherer Photonenenergie mit kürzerer Wellenlänge, indem z. B. ein Übergang 28 vom Grundniveau 14 zu einem Zwischenniveau 30 erlaubt wird, der im wesentlichen das Grundniveau 14 entleert, so daß ein zusätzlicher Übergang aus Energiestufen 32 und 34 zu jeweiligen Energieniveaus 36 und 38, obwohl nicht adiabatisch, zu einer Besetzungsumkehr zwischen den Niveaus 14 und 38 führt. Diese Besetzungsumkehr kann induziert werden, um zu einer großen Energiestufe 40 vom Energieniveau 38 zum Energieniveau 14 in einem geeignet abgestimmten Resonator oder Resonanzraum oder Hohlraum zu führen, damit eine Laserstrahlung sehr hoher Photonenenergie, entsprechend ungefähr dem UV-Spektralbereich, erzeugt wird.

In einer zusätzlichen Überlegung sind eine erste Folge von Energieniveaus 12 und 14, die jeweils niedrig liegende Energieniveaus darstellen, und ein angeregtes Energieniveau in der Fig. 1 als entartet dargestellt, und sie weisen mehrere diskrete Energieniveaus auf, die zur Verdeutlichung stark übertrieben gezeichnet sind. Diese Entartung kann auf zahlreichen Ursachen beruhen, insbesondere auf dem Doppler-Effekt, wegen der thermischen Bewegungen der Teilchen im Medium, oder auf der Zeeman-Aufspaltung bzw. -verbreiterung beim Vorliegen eines Magnetfeldes, was besonders dann gilt, wenn diese Entartung zusammen mit einer Vorrichtung zur Urananreicherung mit magnetohydrodynami-

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sehen Kräften verwendet wird. Als Ergebnis der Verbreiterung oder Aufspaltung der Niveaus 12 und 44 tritt eine Verbreiterung oder Aufspaltung der Absorptionslinie für einen bestimmten Übergang 46 zwischen den Energieniveaus 42 und 44 auf, da mehr als ein erlaubter Übergang von etwas verschiedenen Energien zwischen den getrennten Niveaus vorliegen kann. Wenn so eine Laserstrahlung sehr schmaler Bandbreite zur selektiven Photoanregung einer bestimmten Isotopenart zwischen den Energieniveaus 42 und 44 verwendet wird, so kann diese zu schmal sein, um die gesamte verbreiterte Absorptionslinie einzuschließen. Dies führt zu einem verringerten Anregungs-Wirkungsgrad der Laserstrahlung. Durch Wobbein der Frequenz der einwirkenden Anregungs-Laserstrahlung nach der Erfindung kann eine Photoanregung über der ganzen, verbreiterten Absorptionslinie im allgemeinen erreicht werden.

Zur Erläuterung bestimmter Parameter der Erfindung wird weiter unten eine mathematische Analyse für ein System mit zwei Energieniveaus a und b durchgeführt, die um eine Energie ü<u> getrennt sind. Das System dieser Energieniveaus wird durch Wellenfunktionen Va und \b beschrieben. Der ungestörte Hamiltonoperator des Systems ist H , und mit Energien, die vom Punkt zwischen den beiden Energieniveaus aus gemessen sind, ist H in Matrixschreibweise gegeben durch:

1 0 0-1

mit h = Planck' sches Wirkungsquantum, und

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^ = Kreisfrequenz entsprechend der Energie zwischen den Niveaus.

Es wird angenommen, daß das System kein permanentes elektrisches Dipolmoment besitzt, aber ein Übergangsdipolmoment aufweist, das die Zustände a und b verbindet. Dies bedeutet η = 0, mit

Die Phasen der Zustände oder Niveaus können immer so ausgewählt werden, daß μ reell ist, und dies wird in diesem Fall angenommen

In einem statischen elektrischen Feld E, kombiniert ein Austauschoder Wechselwirkungs-Hamiltonoperator der Form

H. = /ι int /

- E

0 1

1 0

die Zustände a und b. Die Wellenfunktionen der stationären Zustände sind in diesem Fall lineare Kombinationen von ■ a und b, insbesondere gerade diejenigen, die den vollständigen Hamiltonoperator

H +H. diagonalisieren:
ο int

-ti u>

"Τ" * LO _Λ

Δ ο

Die Lösung der Säkulargleichung für Cl ist gegeben durch

Cl= -

Ό)

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fi

Wenn ein Winkel Θ durch

tan θ = — , 2t= - Π sin θ, -

cos θ

definiert wird, liegen zwei Lösungen für die Eigenfunktion vor:

a = cos Θ^ ^ 2

b = sin

2 J

entsprechend zu j

Λ ²

=+ i/T¹^
1/4 ο

a = - sin θ^ 2

b = cos θ^ 2

entsprechend zu £1 - -

+ f

Wenn in einem langsam eingeschalteten elektrischen Feld das Atom aus dem Grundzustand gelöst wird, so gilt:

Anfang

Diese Lösung entspricht dem negativen Vorzeichen vor der Quadratwurzel (vgl. oben). Das Einschaltendes Feldes führt dann zu einer "Rotation" von *ψ in einen Endzustand:

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-ι q _

J. <J

Ende

sin θ_ 2

cos θ

Ende

Wenn das Atom in den angeregten Zustand gelöst ist, so beschreibt die Lösung mit der positiven Quadratwurzel diesen Vorgang angemessen.

Es wird nun der Fall eines Atom es betrachtet, das mit einem schnell oszillierenden optoelektrischen Feld E(t) in Wechselwirkung steht. Es gilt dann:

E(t) = Se

i tot

Die Zeitabhängigkeit der Wellenfunktion ist gegeben durch:

i-n

H/I

Die Lösungen dieser Differentialgleichung in Matrixform sing gegeben durch:

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- fi co

- -co ) t a 2 ο

£B e b 2 ο

mit A₅B = Konstanten, die noch zu bestimmen sind.

Wenn CO - CJ so ausgewählt sind, daß OJ- cü_o ⁼ ^iO gilt, a b

liegt die gleiche Zeitabhängigkeit auf jeder Seite dieser Gldchung vor, die dann wie folgt geschrieben werden kann:

^w a

2T*

■ß

Die Determinante der Matrix muß natürlich verschwinden, was und ül> festlegt:

Hieraus folgt schließlich:

-X

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und tan θ = ~

Dies führt zu:

- 15 -

= i A sin©,· \ Αω = -Λ

Als Lösung ergibt sich:

Al	2	. 2 = sm	€3 2
B I	2	2 = cos	2
a\|	2	2 = cos	.&_ 2
b\|	²	. 2 = sin	_e 2

entsprechend zu X = -j/( — ACu) + }tl entsprechend zu λ = -Jj-A^-Cl)) -«-

Durch Änderung der optischen Frequenz cO von einer Resonanzseite zur anderen erfüllt das System die Gleichung (l) in jedem Zeitpunkt und kann dem Wechsel von US "folgen", wenn die Änderung "ausreichend langsam" ist. Für IΔ&>l ^"[Jl ist Θ nahezu Null, und die Lösung entspricht einem Fall, in dem das Atom anfänglich im Grundzustand b ist. Wenn IACO| abnimmt, nähert sich θ ± 90° (abhängig vom Vorzeichen von A.Cö> ). Bei ACO = 0 gelten θ = - 90° und /Al =|b| . Die Auf-· enthaltsWahrscheinlichkeit des Atoms im angeregten Zustand ist dann gleich der Aufenthalts Wahrscheinlichkeit des Atoms im Grundzustand. Diese Situation entspricht einer Sättigung mit einem ungewobbelten Strahlungsimpuls . Wenn die Frequenz durch U) in der gleichen Richtung mit endlichem Co wobbelt, ändert sich θ kontinuierlich gegen - 180 . Da

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|Ai*)|im Vergleich zu |^| sehr groß wird, nähert sich θ dem Wert 180 , und das Atom wird in seinen Besetzungszustand umgekehrt, d.h. wenn

JAl = 0 und |B| =1 vorliegt,

Anfang Anfang ³

dann gilt IaI, = 1; |BJ_ , =0. Dies ist unabhängig von der Rich-Ende Ende

tung des Frequenzwobbeins, solange die Wobbeirichtung während des Wobbeins die gleiche bleibt. Dies gewährleistet, daß AüJ eine sich zwischen - co und oo ändernde monotone Funktion ist, und θ ändert sich zwischen 0 und 180 . Dies ist eine Bedingung für das Wobbein.

Es bleibt noch die Frage, wie langsam eine Änderung "langsam genug" ist, um für die Lösungen für den eingeschwungenen Zustand gültig zu sein, oder mit anderen Worten, für das Erzeugen der adiabatischen Besetzungsumkehr. Das Frequenzwobbein kann im oben erläuterten Sinn als. adiabatisch betrachtet werden, wenn die Zeit, in der sich die Frequenz von - —— nach + —— ändert, großer ist als —3— , was die Maximalzeit ist, während der das Atom vom Zustand a zum Zustand b und wieder zurück zum Zustand a einen vollständigen Zyklus ausführt. Die "Langsamkeit" des Wobbeins hängt daher von der Stärke oder Intensität des Lichtes bei der optischen Frequenz ab. Ein Wobbein, das zu schnell ist, um ein Atom bei einer Stärke einer Besetzungsumkehr zu unterwerfen, kann dies dennoch bei einer größeren Stärke durchführen.

Die obigen theoretischen Überlegungen bilden die Grundlage der Systemparameter für die adiabatische Besetzung sum kehr im Zusammenhang mit der Isotopentrennung oder Laserverstärkung. Eine Vorrichtung, die zu diesem Zweck verwendet werden kann, ist in den Fig. 2 bis 7 ge-

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zeigt. Im allgemeinen wird bei der Erfindung (Fig. 2) ein Lasergerät und ein Medium 49 verwendet, auf das Strahlung für eine adiabatische Besetzungsumkehr einwirkt. Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Vorrichtung zur Isotopenanreicherung, insbesondere des Uranisotops U . In der Fig. 3 erzeugen ein erstes und ein zweites Lasergerät 50, 52 jeweils Ausgangsstrahlen einer Laserstrahlung 54 und 56, die z.B. in einem dichroitischen Spiegel 58 zusammengefaßt werden, um über ein Fenster 62 auf einem Rohr 64 in eine Isotopentrennkammer 60 geführt zu werden. Das Lasergerät 50 kann insbesondere den Anregungslaser umfassen, dessen Ausgangs strahlung im Strahl 54 für die selektive Photoanregung verwendet und entsprechend abgestimmt wird. Der Laserstrahl 56 vom Lasergerät 52 kann eine oder mehrere Frequenzen der Laserstrahlungsenergie aufweisen, um die selektive Photoionisation vom angeregten Zustand in einer Energiestufe oder in mehreren Energiestufen zu bewirken. Die Strahlen 54 und 56 werden insbesondere gleichzeitig in Impulsen angelegt, die eine Dauer von ungefähr 1 jus oder weniger aufweisen. Impulsfrequenzen bis herauf zu 50 kHz werden bevorzugt, aber es können auch wesentlich geringere Frequenzen verwendet werden. Dar auf die Kammer 60 einwirkende kombinierte Laserstrahl durchquert die Länge der Kammer und verläßt diese über ein Rohr 66 und ein Fenster 68, wobei er insbesondere auf eine oder mehr gleiche Kammern einwirkt. Die Fenster 62 und 68 können aus optischem Quarz bestehen, und die Rohre 64 und 66 sind vorgesehen, um die Fenster 62 und 68 von der Dampf- oder Gasatmosphäre in der Kammer 60 im Abstand zu halten, so daß Ablagerungen auf den Fenstern verringert werden. Es können Blenden vorgesehen werden, um die Fenster außer während der Bestrahlung mit der Laserstrahlung zu isolieren.

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In der Kammer 60 wird durch eine Dampfquelle 70 ein Urandampf erzeugt, und dieser wird durch den Laserstrahl in einen Ionenbeschleuniger 72 geführt. Eine Vakuumpumpe 74 hält einen sehr niedrigen Druck in der Kammer 60 aufrecht, um zu verhindern, daß atmosphärische Bestandteile das selektive Photoanregen und Ionisieren sowie das getrennte Sammeln der ionisierten Teilchen in der Kammer 60 stören.

Mehrere Magnetfeldspulen 76 umgeben die Kammer 60 ungefähr koaxial zum einwirkenden Laserstrahl. Spulen 76 erzeugen ein axiales Magnetfeld im Bereich des Ionenbeschleunigers 72. Die Spulen werden von einer Stromquelle 78 erregt. Ein orthogonales oder senkrechtes elektrisches Feld wird im Ionenbeschleuniger von einer Spannungsquelle 80 erzeugt, um magnetohydrodynamische Kreuzfeldkräfte für die Beschleunigung der ionisierten Teilchen auf getrennte Sammelflächen zu bilden. Die Spannungsquelle 80 ist mittels eines Taktgebers 82 für ein periodisches Anlegen des elektrischen Feldes vorzugsweise gerade nach dem Einwirken jedes Laserimpulses auf die Strahlen 54 und 56 gesteuert. Der Taktgeber 82 wird auch zum Anregen der Lasergeräte 50 und 52 für vorzugsweise ein gleichzeitiges Ausgangssignal verwendet. Eine Periode der Laserstrahlung und der angelegten Spannung umfaßt vorzugsweise eine Zeitdauer von einigen jus.

In der Fig. 4 ist ein Schnitt eines Teiles der Kammer 60 der Fig. 3 gezeigt. Im einzelnen hat die Gas- oder Dampfquelle 70 einen Tiegel 90, der eine Masse 92 aus elementarem Uran und mehrere Kühlschlitze oder -öffnungen 94 aufweist, die z. B. mit Wasser ge-

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speist sind, um die auf das Uran 92 zu dessen Verdampfung einwirkende Wärme abzuführen. Die Verdampfung wird durch die Energie eines Elektronenstrahls 96 bewirkt, der aus einer fadenförmigen Quelle 98 austritt. Der Elektronenstrahl 96 wird durch ein durch Spulen 46 erzeugtes Magnetfeld 100 auf einen Brennpunkt entlang einer Linie oder einer Folge von Punkten auf der Oberfläche der Uranmasse 92 abgelenkt. Die Energie des auftreffenden Strahles ist so gewählt, daß sie zur Verdampfung des Urans entlang der Einfallslinie in einem radial in den Ionenbeschleuniger 72 austretenden Strom 102 ausreicht.

Der Ionenbeschleuniger 72 hat mehrere Kammern 104, die durch eine gewölbte obere Sammelplatte 106, die im allgemeinen konzentrisch zur Dampf-Linienquelle ist, festgelegt sind und mehrere radial ausgedehnte Platten 108 aufweisen, die sich radial zur Dampf-Linienquelle erstrecken. In jeder Kammer 104 ist eine mittlere Elektrode 110 vorgesehen. Jede Elektrode 110 ist elektrisch gemeinsam verbunden und über einen Schalter 112 an eine Klemme eiher Spannungsquelle 114 angeschlossen. Die andere Klemme der Spannungsquelle 114 ist mit dem Aufbau der Platten 106 und 108 verbunden. Die durch die Quelle 114 zusammen mit dem Magnetfeld 100 zwischen den Platten 110 und 108 erzeugte Spannung führt zu einer magnetohydrodynamischen Kreuzfeldbeschleunigung der ionisierten Teilchen in den Kammern 104. Zu diesem Zweck liegt die Spannungsquelle 114 vorzugsweise in der Größenordnung von einigen 100 V, und das Magnetfeld 100 liegt vorzugsweise im Bereich von einigen 100 Gauß. Der Schalter 112 wird durch den Taktgeber 92 betätigt, um direkt nach jedem Stoß oder Impuls der Laserstrahlung in den Strahlen 54 und 56 für eine kurze Zeitdauer, vorzugsweise 1 oder 2 us, den Schalter zu schließen,

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Durch Bestrahlen eines Bereiches 118 über der Länge der Kammer 60 durch die kombinierten oder zusammengefaßten Strahlen 54 und 56 werden U -Teilchen in den Kammern 104 selektiv ionisiert. Die be-

ο O O

sondere Form des Bereiches 118 kann durch geeignetes Abdecken oder Maskieren des Strahles oder mit mehreren Reflexionen in der Kammer 60 erreicht werden. Sobald einmal Ionen des U -Isotops durch Photoionisation oder auf andere Weise selektiv erzeugt sind, läßt der zwischen den Platten 110 und 108 liegende Spannungsimpuls zusammen mit dem Magnetfeld 100 die Plasmaelektronen um die Elektroden 110 kreisen und beschleunigt die Ionen zum Sammeln auf die Platten 108. Ein wiederholtes Einwirken der Laserstrahlung und des elektrischen Potentials führt zu einem Aufbau angereicherten Urans auf den Platten 108 sowie "verarmten" Urans auf der Platte 106.

In der Fig. 5 ist ein Lasergerät zum Erzeugen der Frequenz-Wobbel-Laserstrahlung für die Trenneinrichtungen der Fig. 3 und 4, wie z. B. für das Lasergerät 50, gezeigt. Es umfaßt ein CW-Lasermedium 120 (CW = kontinuierlich strahlend), das insbesondere eine Farbstofflösung ist. Das Medium 120 wird in einen Laserbetrieb mittels Strahlung von einem weiteren Argonlaser 122 angeregt. Das Medium 120 hat einen Resonator (Hohl- oder Resonanzraum), der durch einen Spiegel 124 und einen teilweise reflektierenden Außenspiegel 126 festgelegt ist. Der Resonator kann Filter 128 oder andere Einrichtungen zur Schwingungsauswahl oder Frequenzsteuerung aufweisen, die zum Auswählen einer schmalen Bandbreite in der Absorptionslinie für das U₀₀_-Isotop aber nicht für das U_₀₀-Isotop erforderlich sind. Zusätzlieh liegt ein Kristall 130, der ein optoelektronisches Bauelement sein kann, im Weg des Laserstrahles vom Medium 120 in den Resonator.

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Der Kristall 130 wird elektrisch über einen Leistungsverstärker 132 von einem Schwingkreis oder Oszillator 134 moduliert, der ein Sinus-Oszillator beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sein kann. Die Modulation führt zu einer Änderung der Brechzahl des Kristalles 130 entsprechend der eingeprägten Spannung. Kristalle, die verwendet werden können, umfassen Lithiumtantalat und Kalium-Dideuterium-Phosphat. Es ist wichtig, daß in jedem Zeitpunkt lediglich eine Schwingung einer Frequenz vorliegt.

Das Signal vom Leistungsverstärker 132 steuert die optischen Eigenschaften des Kristalls 130, um die Resonanzfrequenz des Resonators zwischen den Spiegeln 124 und 126 entsprechend dem Sinus-Ausgangssignal des Oszillators 134 zu ändern. Dieser Effekt ist in einer Kurve 136 in der Fig. 6 gezeigt. Der Ausgangs strahl vom Spiegel 126 wird zu einem Verstärkungsmedium 138 gespeist, das seinerzeit in einen Laserbetrieb durch ein Erregerglied 140 gepumpt wird, das insbesondere eine Blitzlampe aufweisen kann. Das Erregerglied 140 ist durch einen Spannungsfühler 142 gesteuert, der das Ausgangssignal des Sinus-Oszillators 134 empfängt und ausgewählte Punkte, wie Punkte 144 und 146, auf z.B. dem abfällenden Teil der Sinus welle erfaßt. Der Spannungsfühler 142 betätigt so das Erregerglied 140, daß dieses mit dem Pumpen des Mediums 138 im Punkt 144 beginnt, und steuert das Erregerglied 140, um im Punkt 146 das Ende des Ausgangssignals vom Medium 138 sicherzustellen. Die sich ergebende Steuerung des Verstärkers gewährleistet, daß das verstärkte Ausgangssignal des Mediums 138 lediglich während des Intervalls zwischen den Punkten 144 und 146 vorliegt, was im wesentlichen einem nahezu linearen Wobbein im Frequenz-Ausgangssignal entspricht. Der Fühler 142

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speist auch ein Signal zum Taktgeber 82, um das Ende der Laserstrahlung festzulegen, und er beginnt eine Betätigung des Schalters 112 unmittelbar oder innerhalb eines Bruchteils einer us.

In der Fig. 7 ist ein weiteres Beispiel eines Lasers zum Erzeugen eines gewobbelten Ausgangssignales gezeigt. Ein CW-Farbstofflaser 150 mit einer einzigen axialen Schwingung wird von einem Argonlaser 152 angeregt, um in einem durch einen Spiegel 154 und einen teilweise reflektierenden Ausgangsspiegel 156 festgelegten Resonator im Laserbetrieb zu sein. Ein Kristall 158, der dem Kristall 130 entspricht, ist außerhalb des Resonators im Strahlengang vorgesehen und durch einen Leistungsverstärker 16CT gesteuert, der seinerseits das Ausgangssignal eines Signalform-Generators empfängt. Der Signalform-Generator umfaßt einen Differenzverstärker 162, an dessen invertierendem Eingang das Signal beim Verbindungspunkt zwischen einem ersten Widerstand 164 und einem zweiten Widerstand 166 liegt, wobei diese Widerstände einen Spannungsteiler zwischen Erde und dem Ausgang des Verstärkers 162 bilden. Ein weiterer Widerstand 168 führt vom Ausgang des Verstärkers 162 zur im Potential höheren Seite eines geerdeten Kondensators 170, der seinerseits mit dem Eingang des Verstärkers 160 verbunden ist. Ein Rückkopplung s wider stand 172 verbindet den Eingang des Leistungsverstärkers 160 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 162. Ein Schalter 172 verbindet wahlweise, gesteuert durch den Taktgeber 82, den Eingang des Leistungsverstärkers 160 mit einem vorbestimmten Potential 173. Der Schalter 172 ist gesteuert, um dieses Potential vom Eingang zum Verstärker 160 nur während eines Zeitraumes zu unterbrechen, wenn das Anregungs-Laser-Ausgangssignal gewünscht wird. Der Aufbau des Si-

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gnalform-Generators gewährleistet ein Spannungs-Ausgangssignal, das eine quadratische Funktion der Zeit ist und das, wenn es zur zeitlichen Änderung der Länge des optischen Weges durch den Kristall 158 zur Frequenzmodulation der Strahlung angelegt ist, eine lineare Zeitänderung in der Strahlungsfrequenz hervorruft. Das Ausgangssignal des Spiegels 156 wird durch einen Laser-Verstärker 174 gespeist, der seinerseits das gewobbelte Laserstrahlungs-Ausgangssignal erzeugt.

Das Lasergerät 52 ist nicht frequenzgewobbelt, wenn keine anregende Laser enthalten sind. Demgemäß muß kein optoelektronischer Kristall für diesen Laser vorgesehen sein. Die Strahlungsfrequenz für den Laser 50 wird auf eine Absorptionslinie für U bei einer Anreicherung von Uran U für einen Übergang zu einem erhöhten Ener-

dia O

gieniveau gebündelt. Wenn in diesem Fall das Lasergerät 52 eine einzige Frequenz erzeugt, so erzeugt es vorzugsweise eine ausreichende Photonenenergie, um von dem durch das Lasergerät 50 erzeugten erhöhten Energieniveau aus zu ionisieren. Spezielle Absorptionslinien zur Anregung von U _ sind zahlreich und können der einschlägigen Fachliteratur entnommen werden. Die Laser 50 und 52 können Dial-A-Linie-Lasergeräte der Firma Avco Everett Research Laboratory sein und eine oder mehr Verstärkungsstufen aufweisen. Wenn ein Dial-A-Linie-Lasergerät verwendet wird, hat der Laser 50 zusätzlich zur Dial-A-Linie die anhand der Fig. 5 und 7 erläuterte Frequenz-Moduliereinrichtung.

Zwei spezielle Beispiele werden unten für die Laserstrahlung s-Eigenschaften gegeben, die entsprechend den oben erläuterten theoretischen Überlegungen eine adiabatische Besetzungsumkehr von U im Grundzustand in drei Energiestufen (E , E und E) zu einem Niveau unterhalb

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der Ionisierung erzeugen. In beiden Fällen wird ein mit der oben erläuterten Vorrichtung erzeugter Urandampf mit drei abgestimmten Laser-Wellenlängen bestrahlt, um drei isotopenselektive adiabatische Besetzunfjsumkehrungen zum endgültigen angeregten Niveau unterhalb der Ionisation zu bewirken. Die besonderen Absorptionslinien können aus spektrographischen Beobachtungen oder einschlägigen Tabellen für die Anfangsstufe ausgewählt werden. Der Frequenzbereich der gewobbelten Strahlung für jede Wellenlänge umfaßt ungefähr 3 GHz oder ungefähr das Doppelte der Verbreiterung oder Aufspaltung der U -Absorptionslinie aufgrund des Doppler-Effektes und des durch ein Magnetfeld induzierten Zeeman-Ef fektes«. Die berechneten Anregungs-Wirkungsquerschnitte für die ersten beiden Energiestufen betragen ungefähr

-16 -2
5 χ 10 cm . Im ersten Fall ist die Gesamtenergiedichte der Laser

2

für die ersten beiden Stufen zu 1 mJ/cm pro Impuls und zu 4 mJ/cm pro Impuls für den Laser der dritten Stufe ausgewählt. Unter diesen Umständen werden 98 % der verfügbaren Atome in jeder der ersten beiden Stufen photoangeregt und in ihrer Besetzung umgekehrt, und 81 % in der dritten Stufe, um eine Gesamtanregung von 79 % zum dritten Niveau zu erzeugen. Im zweiten Fall sind die Energiedichten auf 1,3

—2 —2

m J · cm in den ersten beiden Lasern und auf 10 m J ■ cm in den Impulsen des dritten Lasers angehoben. Der Anregungsanteil beträgt in den ersten beiden Energiestufen im wesentlichen 100 % und in der dritten Stufe 98 %, was zu einer Anregungsausbeute von insgesamt 98 % führt. Die Ionisation vom dritten Niveau kann durch die Strahlung eines weiteren Lasers erzeugt werden.

Die oben angegebenen Berechnungen setzen einen linearen Energieverlust in der Stärke des Laserstrahles beim Durchgang durch den Uran-

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dampf voraus und legen weiterhin Laserenergiedichten in Termen der
Energie fest, die im Laserstrahl nach dessen Durchgang durch den
Urandampf zurückbleibt. Weiterhin sind Störungen des Frequenzwobbeins vom Urandampf vernachlässigt, was eine Bedingung ist, die erfüllt werden kann, wenn der Strahlungsweg durch den Dampf ausreichend kurz ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum (diskreten) Ändern bzw. Schaltendes Energiezustandes von Teilchen einer Isotopenart in einer Umgebung mit mehreren Isotopenarten,

gekennzeichnet durch

eine erste Einrichtung (120) zum Erzeugen von Strahlungsenergie ausreichend schmaler Bandbreite für eine Absorption durch eine Isotopenart der Teilchen in der Umgebung ohne entsprechende Absorption durch andere Teilchen der Umgebung, und

eine zweite Einrichtung (130) zum Wobbein der Frequenz der Strahlungsenergie über einem Frequenzbereich, der eine Absorptionslinie für die eine Isotopenart einschließt, um eine wahlweise (diskrete) Änderung bzw. ein Schalten des Energiezustandes der Teilchen der einen Isotopenart ohne entsprechende (diskrete) Änderung bzw. Schalten des Energiezustandes der anderen Teilchen in der Umgebung zu erzeugen,

wobei das Frequenzwobbein der Strahlungsenergie zum Erzeugen eines Wechsels im Energiezustand der Teilchen der einen Isotopenart festgelegt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel im Energiezustand einen Wechsel von einem tiefer liegenden Energieniveau zu einem höher liegenden Energieniveau einschließt.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzwobbel-Strahlungsenergie eine adiabatische Besetzungsumkehr in den Energiezuständen erzeugt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine dritte Einrichtung (52) zum Photoionisieren der Teilchen der einen Isotopenart, die in der Energie in das obere Niveau (diskret) geändert bzw. geschaltet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine vierte Einrichtung (118) zum Trennen der photoionisierten Teilchen der Umgebung für deren getrenntes Sammeln.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung (118) ein Glied zum Ausüben magnetohydrodynamischer Kreuzfeldkräfte auf die photoionisierten Teilchen der Umgebung aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (120) ein Glied zum Erzeugen der Laser-Strahlungsenergie hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Isotopenart ein Uranisotop ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine fünfte Einrichtung (70) zum Erzeugen der Teilchen-Umgebung als Dampfstrom.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (130) aufweist:

ein Glied im Weg der Strahlungsenergie mit einer abhängig von einem Signal änderbaren Brechzahl, und

ein Mittel (140) zum Anlegen eines Signales an das Glied mit einer Veränderung darin» ^um die Frequenz der Strahlungsenergie zu verän-* dem.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (120) wenigstens eine Laser-Strahlungsquelle mit einem Resonator aufweist, und daß das Glied ein optoelektronischer Kristall im Resonator ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,; daß das Mittel (140) ein Signal mit einem im wesentlichen linearen Teil an den optoelektronischen Kristall anlegt (Fig. 6).

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (120) ein Glied zum Erzeugen von Laserstrahlung und einen Resonator aufweist, und daß das Glied ein optoelektronischer Kristall außerhalb des Resonators ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (140) ein Bauelement aufweist, das ein Signal mit einem Teil erzeugt, der sich quadratisch mit der Zeit verändert, um dadurch eine im wesentlichen lineare Veränderung der Frequenz mit der Zeit in

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der Strahlung zu bewirken, die durch den optoelektronischen Kristall während des sich quadratisch verändernden Teils des Signales verläuft.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich des Frequenzwqbbelns der Strahlungsenergie ca. 3 GHz einschließt, und daß die Strahlungsenergiedichte der die Um-

-2 gebung verlassenden Strahlungsenergie wenigstens ca. 1 raJ" cm beträgt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (120) ein Glied zum Erzeugen von Strahlung senergie-Impulsen aufweist, und daß der Wobbeibereich der Frequenz der Strahlungsenergie so in Beziehung zur Stärke der Strahlungsenergie steht, daß in jedem Strahlungsenergie-Im puls eine vorbestimmte Energiedichte erzeugt wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß die Absorptionslinie für die eine Isotopenart breiter ist als die Bandbreite der Strahlungsenergie, und daß der Frequenzbereich der gewobbelten Strahlungsenergie im wesentlichen mindestens so breit wie wesentliche Teile der Absorptionslinie ist.

18. Verfahren zum (diskreten) Ändern (bzw. Schalten) des Energiezustandes von Teilchen einer Isotopenart in einer Umgebung von Teilchen mehrerer Isotopenarten,

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gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrens sehr itte:

Erzeugen von Strahlungsenergie ausreichend schmaler Bandbreite für eine Absorption durch eine Isotopenart der Teilchen der Umgebung ohne entsprechende Absorption durch andere Isotopenarten der Teilchen der Umgebung, und

Wobbein der Frequenz der Strahlungsenergie über einem Frequenzbereich, der eine Absorptionslinie für die eine Isotopenart einschließt, um einwahlweises (diskretes) Ändern bzw. Schaltendes Energiezustandes der Teilchen der einen Isotopenart ohne entsprechendes (diskretes) Ändern bzw. Schalten des Energiezustandes der anderen Teilchen in der Umgebung zu erzeugen',

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechseln im Energiezustand ein Wechseln von einem tiefer liegenden Energieniveau zu einem höher liegenden Energieniveau einschließt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzwobbel-Strahlungsenergie eine adiabatische Besetzungsumkehr in den Energiezuständen erzeugt.

21. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch ein Photoionisieren der Teilchen der einen Isotopenart, die in der Energie in das obere Niveau (diskret) geändert bzw. geschaltet sind.

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22. Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch ein Trennen der photoionisierten Teilchen der Umgebung für deren getrenntes Sammeln.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß beim Trennen magnetohydrodynamische Kreuzfeldkräfte auf die photoionisierten Teilchen der Umgebung einwirken.

24. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erzeugen der Strahlungsenergie Laser-Strahlungsenergie erzeugt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Isotopenart ein Uranisotop ist.

26. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dampf strom erzeugt wird, der die Teilchen-Umgebung bildet.

27. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeic hnet, daß beim Wobbeln der Frequenz einerseits ein sich zeitlich änderndes Signal an einem Glied (130) im Weg der Strahlungsenergie liegt und andererseits dieses Glied (130) eine Brechzahl hat, die abhängig von einem Signal änderbar ist.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erzeugen der Strahlungsenergie Laserstrahlung in einem Reso-

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nator für die Laserstrahlung erzeugt wird, und daß das Glied (130) ein optoelektronischer Kristall irn Resonator ist.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erzeugen des zeitlich veränderlichen Signales ein Signal mit einem im wesentlichen linearen Teil auf den optoelektronischen Kristall einwirkt.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erzeugen der Strahlungsenergie Laserstrahlung in einem Resonator erzeugt wird, und daß das Glied (130) ein optoelektronischer Kristall außerhalb des Resonators ist.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erzeugen des auf das Glied (130) einwirkenden Signals ein Signal mit einem sich quadratisch mit der Zeit verändernden Teil erzeugt wird, um dadurch eine im wesentlichen lineare Veränderung der Frequenz mit der Zeit in der durch den optoelektronischen Kristall verlaufenden Strahlung während des sich quadratisch verändernden Teiles des Signales zu erzeugen.

32. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich des Frequenzwobbeins der Strahlungsenergie ca. 3 GHz einschließt, und daß die Strahlungsenergiedichte der die Umgebung ν
beträgt.

-2 gebung verlassenden Strahlungsenergie wenigstens ca. ImJ* cm

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33. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erzeugen der Strahlungsenergie Strahlungsenergie-Impulse erzeugt werden, und daß der Wobbeibereich der Frequenz der Strahlungsenergie so in Beziehung zur Stärke der Strahlungsenergie steht, daß in jedem Strahlungsenergie-Impuls eine vorbestimmte Energiediehte erzeugt wird.

34. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionslinie für die einen Isotopenart breiter ist als die Bandbreite der Strahlungsenergie, und daß der Frequenzbereich der gewobbelten Strahlungsenergie im wesentlichen wenigstens so breit wie wesentliche Teile der Absorptions linie ist.

35. Vorrichtung zum Erzeugen einer vorbestimmten (diskreten) Änderung des Energiezustandes in Teilchen einer Isotopenart in einer Umgebung von Teilchen mehrerer Isotopenarten,

gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (120) zum Erzeugen einer Umgebung von Teilchen einer von Strahlungsenergie durchdringbaren Isotopenart,

eine Einrichtung zum Erzeugen von Laserstrahlungs-Impulsen, und

eine Einrichtung zum Steuern der Laserstrahlung für eine isotopenselektive Anregung einschließlich:

einer Einrichtung, die eine Strahlungs-Bandbreite derart ausreichend schmal festlegt, daß eine Absorptionslinie für die eine Isotopenart

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eingeschlossen ist, während eine Absorptionslinie für andere Isotopenarten in der Umgebung entsprechend nicht eingeschlossen ist,

eines optoelektronischen Gliedes (130) im Weg der Laserstrahlung mit einer abhängig von einem elektrischen Signal änderbaren Brechzahl, und

einer Einrichtung (140) zum Erzeugen eines zeitlich veränderlichen elektrischen Signales, das auf das optoelektronische Glied (130) einwirkt, um die Frequenz jedes Laserstrahlungsenergie-Im pulses mit der Zeit zu verändern,

wobei die Veränderung des elektrischen Signales zu einer Veränderung der Frequenz der Laserstrahlung durch die Absorptionslinie für die eine Isotopenart führt, während die Absorptions linie für die anderen Isotopenarten im wesentlichen nicht eingeschlossen sind,

wobei der Veränderungsbereich des elektrischen Signales ein Frequenzwobbeln jedes Strahlungsenergie-Impulses bewirkt, das in Beziehung zur Stärke jedes Strahlungsenergie-Impulses in der Umgebung ist, um eine vorbestimmte Energiedichte für jeden Laserstrahlungs-Impuls in der Umgebung zu erzeugen, und

wobei die vorbestimmte Energiedichte zum (diskreten) Verändern bzw. Schalten der Energiezustände der Teilchen der einen Isotopenart dient.

36. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (120) ein Glied zum Erzeugen einer Laser-Strahlungsenergie einer einzigen Frequenz aufweist.

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37. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (120 ) ein Glied zum Erzeugen einer einzigen axialen Schwingungsart der Laser-Strahlungsenergie aufweist.

38. Verfahren zum Erzeugen einer Laserstrahlung mit hohen Photonenenergien,

gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Einwirken einer Strahlungsenergie gewobbelter Frequenz zum Laserbetrieb auf eine Teilchen-Umgebung, um eine adiabatische Besetzungsumkehr der Energiezustände der Teilchen in der Umgebung zu erzeugen,

Anregen der adiabatisch in ihrer Besetzung umgekehrten Teilchen auf höhere Energieniveaus in bezug auf das Energieniveau, von dem die Besetzungsumkehr ausgeht,

wobei die auf die höheren Energiezustände angeregten Teilchen diese Energiezustände in größeren Anteilen als den anfänglichen Energiezustand besetzen, von dem aus die Teilchen adiabatisch in ihrer Besetzung umgekehrt werden, und

wobei die Teilchen der höheren Energiezustände in den anfänglichen Energiezustand unter Emission eines hochenergetischen Photons herabfallen.

39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß das hochenergetische Photon eine im wesentlichen UV-Strahlung entsprechende Energie besitzt.

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