DE2520530A1

DE2520530A1 - Verfahren und vorrichtung zur ionisation einer isotopenart

Info

Publication number: DE2520530A1
Application number: DE19752520530
Authority: DE
Inventors: Harold K Forsen; G Sargent Janes; Richard H Levy
Original assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Current assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Priority date: 1974-05-13
Filing date: 1975-05-07
Publication date: 1975-11-27
Also published as: NL7505595A; CA1067037A; GB1489138A; BE828990A; IT1040588B; IL47139A0; JPS50155898A; SE7505385L; ES437653A1; US4107537A; CH593708A5; AU502844B2; IL47139A; AU8101375A; FR2270930A1

Description

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

Verfahren und Vorrichtung zur Ionisation einer Isotopenart

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Isotopentrennung und insbesondere zur isotopenselektiven Ionisation von Teilchen mittels Stoßionisation von angeregten Zuständen aus.

Bei einer Anlage zur laserangeregten Isotopentrennung, insbesondere zur Urananreicherung (vgl. US-PS 3 772 519), ist in erster Linie eine Vorrichtung zur Isotopentrennung vorgesehen, bei der eine ausgewählte Uranisotopenart in Urandampf ohne entsprechende Ionisation von Teilchen der anderen Isotopenarten im Dampf fotoionisiert wird. Die fotoionisierten Teilchen werden dann getrennt und im Abstand von der Umgebung oder dem Bereich des Urandampfes gesammelt, der zur Laserbeleuchtung oder -bestrahlung erzeugt wird.

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In der Praxis arbeitet eine derartige Vorrichtung vorzugsweise mit zwei oder drei Laserstrahlungs-Wellenlängen. Mindestens eine Wellenlänge beruht auf schmalbandigen Photonen, die zur Erzeugung des U -Isotops ohne entsprechende Anregung des U -Isotops im Dampf

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abgestimmt sind. Die übrige Laserstrahlungsenergie hat eine Frequenz oder Frequenzen, die eine Fotoionisation des U -Isotops vom höchsten angeregten Zustand bewirkt bzw. bewirken.

Bei der Untersuchung, welche Laserintensität oder -stärke sowohl zur isotopenselektiven Fotoanregung als auch zur Fotoionisation vom angeregten Zustand verwendet wird, ist insbesondere der Wirkungsquerschnitt (Wechselwirkungsquerschnitt) der Atome der gewünschten Isotopenart for jede Energiestufe {Energieniveau) bedeutend. Je größer der Wirkungsquerschnitt für eine gegebene Energiestufe ist, desto größer ist die Menge der durch diese Energiestufe für die gleiche einfallende Laserintensitat oder -stärke angeregten Atome. Prinzipiell ist der Wirkungsquerschnitt für eine Energiestufe zwischen diskreten Energieniveaus, von denen jedes unterhalb des lonisationsniveaus für das Atom liegt, wesentlich größer, insbesondere um einen Faktor 2 oder 3_? als der Ab— sorptions-Wirkungsquerschnitt für eine Energiestufe in das lonisationskontinuum von einem Energieniveau unterhalb der Ionisation. Aufgrund dieser verschiedenen Absorptions-Wirkungsquerschnitte ist es zweckmäßig, eine Laserstärke für den ionisierenden Übergang oder die Energiestufe zu verwenden, die wesentlich höher ist als die Stärke für die Anregungslaser. Dies ist insbesondere für eine wirkungsvolle Niveau-Isotopentrennung oder Urananreicherung in der Industrie von Bedeutung. Die erhöhte Stärke für die lonisationsstufen-Strahlung führt nicht nur zu einem entsprechenden Bedarf an einem lonisationslasergerät, sondern

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vergrößert auch die Wahrscheinlichkeit einer nichtselektiven Fotoionisation aufgrund der zahlreichen Anregungen durch die ionisierende Laserstrahlung hoher Stärke.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine isotopenselektive Ionisation ohne derartige verschiedene Anforderungen an die Laserstärke zu ermöglichen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgesehen, die eine hochleistungsfähige Teilchen-Stoß-Ionisation angeregter Teilchen einer Isotopenart in einer Umgebung von Teilchen mehrerer Isotopenarterubewirken. Die isotopenselektive Ionisation wird bei einer bevorzugten Anwendung zur Anreicherung von Uran, insbesondere des U -Isotops, durch Anregung der U -Teilchen auf ein nur etwas unterhalb des Ionisationsniveaus liegendes Energieniveau und mittels der Teilchen-Stoß-Ionisation erreicht, um so Ionen der gewünschten Isotopenart U _ zu erhalten.

Vorzugsweise wird eine Umgebung mit einem Strahl eines strömenden Urandampfes erzeugt, indem z.B. elementares Uran in einer Vakuumkammer eines sehr niedrigen Druckes erhitzt wird. Impulse der Laserstrahlungsenergie mit insbesondere zwei oder drei Frequenzen werden zur Umgebung des Urandampfes gespeist, um das gewünschte U--Isotop anzuregen. Zu diesem Zweck ist mindestens eine Laser-Wellenlänge fein abgestimmt und in der Bandbreite begrenzt, um das U „-Isotop ohne Anregung entsprechender Anteile von Teilchen einer anderen Isotopenart im Urandampf-Strom anzuregen. Mehrere Energiestufen können verwendet werden, um vom Grundniveau und/oder von beträchtlich besetzten, niedrig liegenden Energieniveaus zu einem endgültigen, an-

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geregten Energiezustand gerade unterhalb des Ionisations kontinuums zu gelangen. Die wechselwirkenden Photonen erzeugen eine selektive Anregung jedes Uranatoms auf einen Energiewert insgesamt, der etwas unterhalb des Ionisationspotentials für die Atome liegt. Vorzugsweise hat diese Energie einen Wert, daß das Atom auf ein Rydberg-Niveau angehoben wird.

Die Wirkungsauerschnitte für jede Energiestufe bis hinauf zum Rydberg-Niveau sollen sehr groß (breit) sein. Der endgültige Rydberg-Energiezustand gerade unterhalb des Kontinuums liegt ausreichend nahe beim lonisationsniveau, so daß die durch Stoß mit energiereichen HiB-tergrundteilehen, wie z. B. Elektronen im Urandampf strom, auf hoch angeregte U -Teilchen übertragene Energie die Teilchen von diesem hoch angeregten Energiezustand aus beträchtlich ionisiert.

Eine derart durchgeführte isotopenselektive loni sation des gewünschten Uranisotops ist sehr leistungsfähig und benötigt, was den Wirkungsgrad anbelangt, keine starke Strahlung für die endgültige, photoionisierende Stufe, um den relativ verringerten Wirkungsquerschnitt für die Photonenabsorption beim Übergang in das Kontinuum zu überwindenZusätzlich kann ein Lasergerät weggelassen werden, und an seiner Stelle wird die vorhandene Energie im Urandampfstrahl verwendet.

Die Erfindung sieht also ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stoßionisation von Teilchen vor, die isotopenselektiv angeregt sind, insbesondere für eine Anlage zur Uranisotopentrennung und -anreicherung . Eine leistungsfähige Stoßionisation wird erzielt, indem zunächst

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wahlweise verdampfte Teilchen des Gewünschten Isotops in einem Strahl mit einer fein abgestimmten Laserstrahlungsenergie angeregt werden. Die Energien der wechselwirkenden Photonen sind so ausgewählt, daß sie eine gesamte Energieverschiebung während der Anregung erzeugen, die etwas kleiner ist als die Ionisationsenergie für das gewünschte Isotop. Das angeregte Isotop wird so auf ein Anregungsniveau angehoben, das nur wenig unterhalb des Ionisationsniveaus liegt. Dieses Niveau wird ausgewählt, um zwischen energiereichen Teilchen in der Urandampf-Umgebung und den hoch angeregten Teilchen der gewünschten · Isotopenart eine leistungsfähige Ionisation, eine Teilchen-Stoß-Ionisation zu ermöglichen.

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

Fig. 1 ein Energieniveau-Diagramm zur Erläuterung der physikalischen Grundlagen der Erfindung,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, und

Fig. 3 einen Schnitt eines Teiles der in der Fig. 2 gezeigten Vorrichtung ·

Bei der Erfindung werden Teilchenstöße verwendet, um Teilchen aus hoch angeregten Energie zuständen zu ionisieren, die isotopenselektiv besetzt sind. Während ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel auf die Ionisation von Uran in atomarer Form aus durch Laserstrahlung erzeugten angeregten Energiezuständen gerichtet ist, kann die Erfindung bei jedem Element in molekularer oder atomarer Form sowie im Zusam-

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menhang mit anderen Technologien vorteilhaft verwendet werden, um hoch angeregte Energiezustände für Teilchen der ausgewählten Isotopenart zu erzielen.

Erfindungsgemäß werden die Teilchen der gewünschten Isotopenart aus dem hoch angeregten Energiezustand durch Stoßionisation oder Elektronen-Stoßionisation ionisiert. Dabei werden Teilchen auf ein Energieniveau, insbesondere ein Rydberg-Niveau, durch Wechselwirkung mit

-2 Laserphotonen angeregt, deren Gesamtenergie lediglich einige 10 eV unterhalb des Ionisationspotentials liegt. Für die Ionisation ist lediglich eine kleine zusätzliche Energie erforderlich. Diese Energie wird durch Übertragung kinetischer Energie entsprechend Stößen oder Zusammenstößen zwischen den hochangeregten Teilchen und anderen, energiereichen Teilchen in der Umgebung erzeugt (vgl. z.B. die Zeitschrift "Nature", Bd. 233, 15. Oktober 1971, wo ausgeführt ist (S. 472, 3), daß diese Erscheinung in einem Quecksilber-Doppelentladungsgefäß beobachtet wird; zur Stoßionisation wird auf einen Artikel "Plasma Ionization Enhancement by Laser Line Radiation" von P. E. Oettinger in der Zeitschrift "AIAA Journal", Bd. 8, Nr. 5, Mai 1970, verwiesen).

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Energieniveau-Diagramm dargestellt ist. In der Fig. 1 ist ein Energiebereich 12 für ein Teilchen gezeigt, das beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Atom des U -Isotops ist. Die Energieniveaus 12 sind sehr nahe beim Ionisationsniveäu 14 für das U -Atom und sind vorzugsweise Rydberg-Niveaus. Die Niveaus 12 liegen um eine kleine Energiedifferenz, z. B. 0,03 eV, unterhalb des Ionisationspotentials 14. Bei Uran liegt das Ionisationsniveau 14 ungefähr bei 6,19 eV, und daher liegen die Niveaus' 12 ungefähr bei 6,16 eV.

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Damit können die Energieniveaus 12 eventuell durch eine einzige Energiestufe, z. B. einen Übergang 16, erreicht werden, wobei deren Nähe zum Ionisationsniveau 14 für einen bevorzugten Betrieb (insbesondere 0,03 eV) eine Auswahl eines stärker selektiven Überganges erfordern kann. Daher werden mehrere Energiestufen, z.B. Übergänge 18 und 20 oder 18, 22 und 24 bevorzugt, ifforzugsweise werden eine oder mehrere Energiestufen zum Niveau 12 durch Laserstrahlung angeregt, die wenigstens in der ersten Stufe 18 isotopenselektiv abgestimmt ist. Abhängig von der Laserstrahlung für diese Stufe wird ein wesentlich größerer Anteil von U --Teilchen als der Anregungsanteil der anderen Isotopen-Teilchen, auf die die Strahlung einwirkt, bezüglich der normal auftretenden Anteile zwischen den Isotopen in der Umgebung angeregt .

Es soll darauf hingewiesen werden, daß zahlreiche Kombinationen der Photoanregungsstufen verwendet werden können, um die Energiezustände 12 zu erreichen, und tatsächlich ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Strahlungsenergie beschränkt, um die selektive Anregung zu bewirken. Die Energieniveaus 12, die um eine relativ kleine Energiedifferenz, z. B. um 0,03 eV, wie oben erläutert, unterhalb des Ionisationsniveaus 14 liegen, sind als mehrere, eng beabstandete Niveaus dargestellt, da Paritätsbetrachtungen verhindern, daß der gleiche angeregte Zustand durch Kombinationen mit verschiedenen Übergängen erreicht wird. Auch können die auf die Zustände 12 angeregten Atome einer Verschiebung oder mehrerer Verschiebungen durch den Bereich der Zustände vor der Ionisation unterliegen, wie dies weiter unten näher erläutert wird.

Die Auswahl der mehreren Energie stufen, die zu einem der Ni-

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veaus 12 führen, und demgemäß die Auswahl des Niveaus selbst, wird weiter unten näher erläutert, wobei jedoch zunächst auf folgendes hingewiesen wird: Der zum Energieniveau im Bereich 12 führende Übergang soll zuerst einen relativ großen Wirkungsquerschnitt haben, damit die Laserstrahlung leistungsfähig verwendet wird. Im allgemeinen nimmt der Wirkungsquerschnitt zur Anregung auf Niveaus im Bereich 12 ab, wenn die Niveaus im Bereich 12 sich dem Niveau 14 nähern. Gleichzeitig soll der Wirkungsquerschnitt oder die Wahrscheinlichkeit für eine Stoßionisation mit Elektronen oder anderen Teilchen von U-Teilchen, die auf das Niveau 12 angeregt sind, nicht so klein sein, daß die Leistungsfähigkeit der weiter unten beschriebenen gesamten Vorrichtung bei der Trennung verschlechtert wird. Dies erfordert insbesondere, daß die Niveaus 12 dicht beim Ionisationsniveau 14 und vorzugsweise beim Rydberg-Niveau angeordnet sind.

Hierzu ist es zweckmäßig, Überlegungen über die Größe dieser Wirkungsquerschnitte anzustellen. Bei einer Anregung auf die Energieniveaus 12 von einer tieferliegenden Energie aus liegt der Wirkungs-

-15 2 querschnitt vorzugsweise im Bereich von 10 cm . Bei einer Elektronen-Teiicnen-iZusammenstoß)-Stoßionisation ist der Wirkungsquerschnitt gegeben durchί

Tf r ² l
^-' ο

ion /E\ /I#\

\ I / Il )

mit r = Bohr'scher Radius, ungefähr 0,53 χ 10 cm,

I = Ionisationspotential für Wasserstoffatom, ungefähr 13,5 e¥,

1^¥ = lonisationspotential vom angeregten Zustand aus für das angeregte Atom, und

E = Energie der freien stoßenden Elektronen. 509848/0774

Andere Faktoren können diese Abschätzung beeinflussen, einschließlich der Gasdrücke der Kammerumgebung, der Urandampfdichte, der Dampf Stromgeschwindigkeit und der Zerfallsgeschwindigkeit (Halbwertszeit) von den Niveaus 12. Typische Bereiche für diese Größen werden weiter unten angegeben.

Wenn diese Kriterien optimiert sind, ist die gesamte Ionisationswirksamkeit der Vorrichtung sehr hoch, und die Erfindung bringt bedeutende Vorteile mit sich. Unabhängig davon, ob die Erfindung im Betrieb mit den theoretisch günstigsten Werten übereinstimmt oder nicht, ist das Auftreten der Teilchen-Stoßionisation doch bei der isotopenselektiven Ionisation, insbesondere der Ionisation des U -Isotops von Uran nützlich, um dessen getrenntes Sammeln zu ermöglichen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Fig. 2 Bezug genommen, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt. Insbesondere ist ein Lasergerät 30 mit einem Lasermedium 32 und einem zugeordneten Abstimmglied 33 gezeigt, das ein Laser-Resonanzraum oder -Hohlraum und zugeordnete Frequenz-Begrenzer-Bauteile aufweist, wie z.B. Prismen, Etalon- oder Kalibrierfilter oder Beugungsgitter. Das Medium 32 wird in eine Laserbedingung durch ein Anregungsglied 34 angeregt, das insbesondere einen weiteren Laser oder eine Blitzlampe umfassen kann. Das Anregungsglied 34 wird durch einen Zeit- oder Taktgeber angesteuert, um die Einwirkung der Anregungs-Strahlungsenergie auf das Medium 32 zu beginnen, so daß die Besetzungsumkehr für die Laserbedingung erzeugt wird. Das Lasergerät 30 kann einen Dial-A-Line-Laser der Firma Avco Everett Research Laboratory, Everett, Massachusetts, mit zusätzlichen, die Bandbreite verengenden Bauteilen, wie z. B.

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Etalon- oder Kalibrierfiltern sein, um das Frequenz-Ausgangssignal des Mediums 32 in einem Laserstrahl 38 bei einer Frequenz festzulegen, die eine Absorptionslinie für das U -Isotop von Uran einschließt, ohne im wesentlichen eine Absorptionslinie für andere Isotopenarten, wie z. B. für das U -Isotop, zu umfassen. Eine oder mehrere Ver-

2oo

Stärkungsstufen können in gewünschter Weise auf den Laserstrahl 38 einwirken, um dessen Ausgang bei jedem Strahlungsimpuls bis zu eini-

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gen 10 mJ zu verstärken. Zehn mJ/cm sind eine bevorzugte Flußbzw. Stromdichte, aber es können auch etwas geringere Dichten verwendet werden. Impulsfrequenzen bis zu 50 kHz können vorgesehen sein, wobei dies zur Bestrahlung aller Atome im Dampfstrom günstig ist. Für höhere Frequenzen können Laserfelder oder -anordnungen mit einer Prisma-Vereinigungs-Optik verwendet werden (vgl. US-Patentanmeldung 438 029 vom 30. Januar 1974).

Vorzugsweise dauern die Impulse der Strahlung im Strahl 38 einen wesentlichen Bruchteil einer us, obwohl auch Zeiten in der Größenordnung von einigen ns zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Längere Zeiten können vorgesehen werden, wenn die Lebensdauern der angeregten Zustände entsprechend langer sind. Der Beginn jedes Impulses durch den Taktgeber 36 wird durch ein Signal von einem Takt- oder Zeitgeber 40 angesteuert oder getrlggert.

Die Laserstrahlung im Strahl 38 wird mit der Laserstrahlung in Strahlen 42 a und 42 b von einem zweiten und einem dritten Lasergerät 44A und 44B bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel vereinigt, indem z. B. dichroitische Spiegel 46 A und 46B verwendet werden. Andere Einrichtungen zum Vereinigen, wie z. B. Prismen, können ent—

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sprechend der beabsichtigten Verwendung vorgesehen werden. Die vereinigten Strahlungen bilden einen Strahl 48 einer Laserstrahlung, bei dem insbesondere die Impulse gleichzeitig auftreten, obwohl es möglich ist, die Strahlung für die Übergänge der höheren Niveaus einige ns nach der Strahlung für die tieferliegenden Übergänge vorzusehen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Strahlung im Strahl 38 auf eine U -Absorptionslinie im roten Bereich abgestimmt, während die Strahlung in den Strahlen 42 A und 42B auf Absorptionslinien im rot-orangen Bereich abgestimmt ist. Die Strahlungsenergiedichten in den Strahlen 38 und 42 sind vorzugsweise ungefähr gleich oder etwas entsprechend den verschiedenen Absorptions-Wirkungsquerschnitten für die Übergänge geändert, die sie erzeugen.

Die Strahlung im vereinigten Strahl 48 wird zu einer evakuierten Kammer 50 über vorzugsweise ein optisches Quarzfenster 52 auf einem Rohrfortsatz 54 gespeist, der das Fenster 52 im Abstand von verschmutzenden Dämpfen in der Kammer 50 hält. Die Strahlung im Strahl 48 durchquert die Kammer 50 und tritt über ein ähnliches Rohr 56 und ein Fenster 57 aus, um vorzugsweise auf zusätzliche Kammern ähnlich der Kammer 50 einzuwirken. Vor dem Verlassen der Kammer 50 durchläuft die Strahlung im Strahl 48 mehrmals die Kammer 50 aus weiter unten erläuterten Gründen.

In der Kammer 50 wird während des Betriebs ein niedriger Druck von ungefähr 10 Torr durch eine Vakuum-Pumpenanlage 58 aufrechterhalten. Eine Dampfquelle 60 erzeugt einen Urandampfstrom nach oben

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zu einem Ionentrennglied 62. Die Dampfdichte liegt im Bereich von

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ungefähr 10 bis 10 Atomen/cm , aber sie ist nicht auf diese Werte beschränkt. In der Kammer 50 ist ein im wesentlichen^ zum Laserstrahl 48 koaxiales Magnetfeld durch mehrere Spulen 63 vorgesehen, die um die Kammer 50 gewickelt und mit einem Strom von einer Quelle 64 erregbar sind. Die Magnetfeldstärke in der Kammer 50, insbesondere in der Zone des Ionentrenngliedes 62, kann vorzugsweise im Bereich von einigen 100 Gauß (z. B. 100 - 300 Gauß) liegen. Ein senkrechtes elektrisches Feld wird in Impulsen, die vorzugsweise direkt jedem Impuls der Laserstrahlungsenergie im Strahl 48 folgen, durch ein Signal von einer Spannungsquelle 66 erzeugt, die ihrerseits durch ein Signal vom Taktgeber 40 betätigt wird. Die Impulsdauern für das elektrische Feld liegen vorzugsweise zwischen einer und einigen jis, und als Feldstärken dienen ungefähr 20 - 100 V/cm, insbesondere 30 V/cm. Die magnetische und die elektrische Feldstärke sowie die Impulsdauer führen zur Beschleunigung der ionisierten Urandampfteilchen auf bestimmten Bahnen, bevor ein wesentlicher Ladungsaustausch auftritt.

Wesentliche Einzelheiten der Kammer 50 werden anhand der Fig. näher erläutert, in der ein Schnitt durch das Innere der Kammer 50 entlang der in der Fig. 2 dargestellten Schnittlinie gezeigt ist. In der Fig. ist die Dampfquelle 60 mit einem Tiegel 70 dargestellt, der mehrere Kühlöffnungen oder -schlitze 72 für vorzugsweise Wasser aufweist, wobei im Tiegel 70 eine Quelle oder ein Vorrat 74 von elementarem Uranmetall enthalten ist. Die Verdampfung des Uranvorrats 74 kann auf jede herkömmliche Weise erfolgen, obwohl sie vorzugsweise mit einer Einwirkung eines Elektronenstrahls 76 auf eine Linie entlang der Ober-

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fläche des Vorrats 74 oder ggf. auf eine Reihe von Punkten durchgeführt wird. Der Elektronenstrahl 76 wird durch eine fadenförmige Quelle 78 erzeugt und durch ein Magnetfeld 80 fokussiert, das durch einen Strom in den Spulen 63 gebildet wird. Die Erwärmung einer langen Linie auf der Oberfläche des Vorrates 74 erzeugt einen sich radial ausdehnenden Dampfstrom 82 von Uranmetall mit Isotopenkomponenten mit im wesentlichen den gleichen Anteilen, wie diese im Vorrat 74 auftreten. Der Dampfstrom 82 hat in seiner Dichte nahezu eine Kosinus-Verteilung. Die Dampfstromgeschwindigkeit beträgt insbesondere 40 g/h für jeden cm Länge entlang der Oberfläche des Vorrates 74. Die Länge des Tiegels 70 in Richtung des Feldes 80 beträgt vorzugsweise 1 m.

Das Ionentrennglied 62 hat eine Folge von Elektroden, die so angeordnet sind, daß sie mehrere Kammern 84 bei ungefähr 10 cm Abstand vom Tiegel 70 bilden. Die Kammern 84 bestehen aus einer rückwärtigen, hinteren Sammelplatte 86, die einen zylinderförmigen Abschnitt bildet, und aus inneren, sich radial erstreckenden Elektroden 88 von ungefähr 5,0 cm Länge» Die Platten 88 sind elektrisch mit der rückwärtigen Platte 86 verbunden und an eine Klemme, vorzugsweise eine negative Klemme, einer Spannungsquelle 90 angeschlossen. In jeder Kammer 88 ist eine mittlere Elektrode 92 vorgesehen, die jeweils gemeinsam mit der anderen, positiven Klemme der Spannungsquelle über einen Schalter 94 verbunden ist. Der Schalter 94 wird durch den Taktgeber 40 betätigt, um jeden Impuls eines elektrischen Feldes zu erzeugen. Das Potential der Spannungsquelle 90 kann vorzugsweise 60 V betragen. Jede Platte 88 und 86 und der radialen Elektroden 92 erstreckt sich aus der Zeichenebene und in die Zeichenebene der Fig. 3 über die Länge des Ionentrenngliedes, insbesondere über einen Meter oder länger, wie dies in der Fig. 2 gezeigt ist.

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Im Betrieb hat der Urandampfstrom 82 eine Anzahl von Komponenten, einschließlich einer großen Anzahl von Elektronen. Zwei Hauptelektronenquellen umfassen die Dampfquelle aufgrund von Gleichgewichtsbedingungen einer Verdampfung und des e-Strahles.

Die Freigabe von Elektronen durch die Dampfquelle hängt von der Temperatur ab, wie dies durch die Saha-Gleichung angegeben wird. Die Elektronen werden als Elektronen-Ionen-Paare freigegeben, die für die Ladungsneutralität im Dampfstrom sorgen und ihren Flug mit dem Strom ermöglichen, so daß sie für eine Stoßionisation verfügbar sind. Die Elektronen-Teilchen unterliegen zufälligen Zusammenstößen untereinander und mit Uranatomen im Dampfstrom 82. Diese Zusammenstöße und die ausgetauschte Energie bilden einen kontinuierlichen Prozeß und führen miteinander zur Besetzung einiger niedriger liegender Energiezustände für die Uranisotope im Dampfstrom 82. Es kann daher zweckmäßig sein, eine Laserbestrahlung für einen anfänglichen Übergang nicht nur vom Grundenergieniveau, sondern auch von einem oder mehreren tiefer liegenden Energieniveaus aus vorzusehen. Die Laserstrahlung wirkt auf den Bereich der Kammern 84 ein und bestrahlt mit weiteren Reflektionen des Strahles durch das Ionentrennglied 62 mittels nicht dargestellter Prismen alle Kammern 84. Der Strahl 48 hat für diesen Zweck vorzugsweise einen Querschnitt von 2 cm χ 2,5 cm.

Die entsprechend den oben erläuterten zahlreichen Strahlungseigenschaften einwirkende Laserstrahlung führt zu einer Photoanregung des U -Isotops im Dampfstrom 82 auf den Energiebereich der Niveaus 12, die vorzugsweise Rydberg-Niveaus sind und einen kleinen Bruchteil eines eV unterhalb des Ionisationsniveaus 14 liegen. Dieser Bereich liegt vorzugsweise 0,03 eV unterhalb der Ionisation, wie dies oben erläutert wurde.

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Eine Auswahl besonderer Wellenlängen für die Lasergeräte 30 und 44 beruht vorzugsweise auf verfügbaren Farbstoff-Laser-Frequenzen eines Laserbetriebs, wie z.B. der roten und orangen Bereiche des sichtbaren Spektrums. Zusätzlich kann es zweckmäßig sein, eine Wellenlänge für wenigstens den ersten Übergang, wie z.B. die Stufe 18, der eine gute Isotopenverschiebung aufweist, oder eine Trennung zwischen den Absorptions linien für das U -Isotop in bezug auf die anderen Isotope vorzusehen. Es ist zweckmäßig, eine Isotopenselektivität auch in den anderen Stufen zu bilden. Weiterhin wird ein großer Absorptions-Wirkungsquerschnitt für die Übergänge zwischen angeregten Zuständen sowie eine Lebensdauer im angeregten Zustand angestrebt, die gegenüber der Laser-Impulsdauer groß ist.

Es gibt eine große Anzahl von Wellenlängen, für die Uran eine Absorptionslinie aufweist und die diese Merkmale in unterschiedlichen Graden erfüllen. Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgebaut und betriebentwird, können geeignete Wellenlängen innerhalb der einzelnen Grenzen der Lasergeräte ausgewählt werden, die bei der herkömmlichen spektrographischen Analyse verwendet werden. Absorptionslinien werden durch Abstimmen der Laserstrahlung über einem Bereich der Absorptionslinien, vorzugsweise im roten oder rot-orangen Bereich, wie oben erläutert, erfaßt, indem mit der Laserstrahlung des ersten Überganges begonnen wird. Aus spektrographischen Beobachtungen wird eine Frequenz bei einer beobachteten U -Absorption entsprechend

ZoJ

dem Grad ausgewählt, in dem die beobachteten Linien die oben erläuterten Merkmale erfüllen.

Sobald stark angeregte Atome erzeugt sind, reicht der zufällige Energieübergang durch Teilchen-Stöße, vorzugsweise mit Elektronen,

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aus, um eine beträchtliche Ionisationsgeschwindigkeit der U -Isotop-Teilchen vom Niveau im Bereich 12 zu erzeugen, wobei keine große Stärke der ionisierenden Strahlung erforderlich ist, um den relativ kleinen Ionisations-Absorptions-Wirkungsquerschnitt zu überwinden. Andere Teilchen als Elektronen können für den gleichen Zweck verwendet werden.

Nach der Ionisation führen die in den Kammern 84 durch jeden Impuls des elektrischen Feldes von der Quelle 90 erzeugten magnetohydrodynamischen Kreuzfeld-Beschleunigungskräfte zu einer Beschleunigung der U -Ionen gegen die Elektroden 88 zum Sammeln in Konzentrationen, die wesentlich größer sind als im Urandampf strom 82. Das auf den Elektroden 88 angereicherte Uran kann periodisch gesammelt und auf herkömmliche Weise weiterverarbeitet werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Ionisation von Teilchen einer Isotopenart in einer Umgebung von Teilchen mehrerer Isotopenarten, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte %

Erzeugen einer Umgebung von Teilchen der mehreren Isotopenarten, wobei die Umgebung energiereiche Teilchen enthält,

Anregen der Teilchen der einen Isotopenart auf einen angeregten Zustand, der um einen kleinen Bruchteil des Ionisationspotentials der einen Isotopenart unterhalb des Ionisationsniveaus (14) der Teilchen der einen Isotopenart liegt,

wobei das Anregen der Teilchen der einen Isotopenart isotopenselektiv bezüglich der einen Isotopenart ist, so daß entsprechend Teilchen anderer Isotopenarten in der Umgebung nicht angeregt wenden, und

wobei das Anregen der Teilchen der einen Isotopenart auf ein Energieniveau .{12) erfolgt, von dem Ionisation abhängig von Stoßen zwischen den Teilchen der einen Isotopenart und den energiereichen Teilchen der Umgebung auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die energiereichen Teilchen der Umgebung mindestens Elektronen umfassen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen der durch Teilchenstöße ionisierten Umgebung getrennt werden.

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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Trennen die Teilchen der abhängig von Stößen mit den energiereichen Teilchen ionisierten Umgebung beschleunigt werden, wobei die Beschleunigung in eine Richtung erfolgt, die ein getrenntes Sammeln der Teilchen im Abstand von den anderen Teilchen der Umgebung ermöglicht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beschleunigten Teilchen auf einer Oberfläche (88) gesammelt werden-

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erzeugen der Umgebung ein die Teilchen der mehreren Isotopenarten enthaltender Werkstoff (74) verdampft wird, um einen die Umgebung bildenden Dampfstrom des Werkstoffes (74) herzustellen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verdampfen mindestens einige der energiereichen Teilchen erzeugt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff (74) Uran enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfdichte der U anatome an den Anregungsstellen ungefähr zwischen

Λ Ο Λ Λ Ο

1 χ 10 und 1 χ 10 Atome/cm beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das angeregte Energieniveau (12), auf das die Teilchen der einen Isotopenart

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für die Stoßionisation angeregt sind, um einen kleinen Bruchteil eines ev unterhalb des Ionisationsniveaus (14) für diese Teilchen liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der kleine Bruchteil ungefähr 0,03 eV beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das angeregte Energieniveau (12) ein Rydberg-Niveau einschließt.

13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erzeugen der Umgebung die Anzahl der ionisierenden Teilchenstöße zwischen den angeregten Teilchen der einen Isotopenart und den energiereichen Teilchen die Zerfallsgeschwindigkeit der angeregten Teilchen der einen Isotopenart vom Niveau (12) unterhalb der Ionisation, auf das sie angeregt sind, übersteigt.

14. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebung in einem Bereich von ungefähr 10 Torr Druck ist.

15. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches und ein magnetisches Feld (80) auf die Teilchen-Umgebung einwirken, die Teilchen der einen Isotopenart enthält, die durch Stoßionisation mit den energiereichen Teilchen ionisiert sind, um die ionisierten Teilchen* in der Umgebung zu beschleunigen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische und das magnetische Feld (80) einwirken, um eine ge-

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pulste Beschleunigung der geladenen Teilchen in der Umgebung zu erzeugen.

17. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anregen der Teilchen der einen Isotopenart Strahlungsenergie mit mindestens drei Wellenlängen einwirkt, wobei die Strahlungsenergie eine ausreichend schmale Bandbreite in wenigstens einer Wellenlänge aufweist, um die Teilchen der einen Isotopenart ohne Anregung von Teilchen der anderen Isotopenart in der Umgebung anzuregen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Wellenlängen ungefähr im roten und rot-orangen Spektralbereich liegen.

19. Verfahren zum selektiven Ionisieren der Atome eines Uranisotops ohne entsprechende Ionisation der anderen Uranisotope, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Verdampfen von Uranmetall (74) zum Erzeugen eines Urandampf stromes (82),

wobei beim Uranverdampfen eine Quelle von Elektronen-Ionen-Paaren im Urandampf vorgesehen wird, die im Dampfstrom im allgemeinen Ladungsneutralität aufrechterhält, so daß die dadurch erzeugten Elektronen mit dem Dampf strömen können,

Einwirken von wenigstens zwei Wellenlängen einer Laserstrahlung in

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Impulsen von wenigstens 1,0 mJ/cm -Gesamtimpuls-Enargiedichte mit mindestens einer Wellenlänge mit Isotopenselektivität in ihren

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Photonenenergien, um ein Uranisotop ohne entsprechende Anregung der anderen Isotopenkomponenten im Dampf strom anzuregen,

wobei die Laserstrahlung für die beiden Wellenlängen im allgemeinen im sichtbaren Spektralbereich liegt und Photonenenergien aufweist, die eine Gesamtanregung der Atome der einen Uran-Isotopenart bis zu einem Rydberg-Niveau (12) der Anregung bewirken, das einen kleinen Bruchteil eines ev unterhalb des Ionisationsniveaus (14) für das eine Uranisotop liegt, und

wobei beim Erzeugen des Dampfes Elektronen im Dampfstrom mit ausreichender Energie für Stoßionisation der Atome des einen Uranisotops vom angeregten Rydberg-Niveau (12) aus gebildet werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erzeugen des Dampfes ein Elektronenstrahl auf eine Oberfläche des Uranmetalles (74) einwirkt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung eine Wellenlänge im roten und zwei Wellenlängen im rot-orangen Spektralbereich aufweist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Rydberg-Niveau (12) ungefähr 6,16 eV oberhalb des Grundzustandes für die Atome der einen Isotopenart liegt.

23. Verfahren zum Trennen des U -Isotops von einer Uran-

Isotopenmischung durch selektive Photoanregung von U -Atomen in

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einer erzeugten Dampfumgebung mit U- und U_n„„-Atomen, ge-

235 23o

kennzeichnet durch die folgenden Verfahrens schritte s

Steuern der Anregungsenergie, so daß die U -Atome in der Dampf-

0 O

Umgebung ohne entsprechende proportionale Anregung der U_„ „-Atome

Zoo

in der Dampfumgebung auf ein Rydberg-Energieniveau (12) nahe bei, aber unterhalb des Ionisationspotentials der U -Atome in der Dampf-Umgebung angeregt werden, und

Ionisieren der angeregten U -Atome durch deren Stoß ionisation mit energiereichen Teilchen in der Dampfumgebung.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die energiereichen Teilchen in der Dampfumgebung aus Elektronen oder energiereichen U_ooc.-Atomen oder energiereichen U -Atomen oder

ώθ O

Mischungen hiervon bestehen.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die U -Teilchen auf ein Energieniveau (12) ungefähr 0,03 eV unterhalb des Ionisationsniveaus (14) angeregt werden.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druck von ungefähr 10 Torr in dem die Dampfumgebung umschließenden Bereich aufrechterhalten wird, und daß der Urandampf entlang einer Linie mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 40 g/cm pro Stunde erzeugt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß

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13 14

die Uran-Dampfdichte zwischen ungefähr 1 χ 10 und 1 χ 10 Atome/

3
cm im Bereich der Photoanregung liegt.

28. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die U -Atome selektiv durch Bestrahlen mit mindestens drei Laserstrahlen photoangeregt werden, wobei mindestens ein Laserstrahl im roten Spektralbereich und mindestens zwei weitere Laserstrahlen im rot-orangen Spektralbereich abgestimmt sind.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß

2 die Laserstrahlen mit einer Stärke von ungefähr 1,0 bis 10 mJ/cm pro Impuls gepulst sind.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampf Umgebung einen Dampf strom aufweist, und daß die Pulsfrequenz ausreicht, um nahezu alle Anteile der Uranatome im Dampfstrom zu bestrahlen.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die stoßionisierten Teilchen auf vom Dampfstrom getrennte Bahnen beschleunigt werden.

32. Vorrichtung zur Ionisation von Teilchen einer Isotopenart in einer Umgebung von Teilchen mehrerer Isotopenarten, gekennzeichnet durch

eine erste Einrichtung (60) zum Erzeugen einer Umgebung von Teilchen der mehreren Isotopenarten einschließlich energiereichen Teilchen,

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eine zweite Einrichtung (30) zum Anregen der Teilchen der einen Isotopenart auf einen angeregten Zustand, der um einen kleinen Bruchteil des Ionisationspotentials der einen Isotopenart unterhalb des Ionisationsniveaus (14) der Teilchen der einen Isotopenart liegt,

wobei die Anregung der Teilchen der einen Isotopenart isotopenselektiv bezüglich der Teilchen der einen Isotopenart ist, so daß entsprechend Teilchen der anderen Isotopenarten in der Umgebung nicht angeregt sind, und

wobei die Anregung der Teilchen der einen Isotopenart auf ein : Energieniveau (12) erfolgt, von dem Ionisation abhängig von Stoßen zwischen den Teilchen der einen Isotopenart und den energiereichen Teilchen der Umgebung auftritt.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die energiereichen Teilchen der Umgebung mindestens Elektronen umfassen.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch eine dritte Einrichtung (62) zum Trennen der Teilchen durch Teilchenstoß ionisierten Umgebung.

35. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (60) einen Werkstoff (74) verdampft, der die Teilchen der mehreren Isotopenarten umfaßt, um einen die Umgebung bildenden Dampfstrom des Werkstoffes (74) zu erzeugen.

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36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungseinrichtung (60) mindestens einige der energiereichen Teilchen erzeugt.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff (74) Uran enthält.

38. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das angeregte Energieniveau (12), auf das die Teilchen der einen Isotopenart für Stoßionisation angeregt sind, ungefähr 0,03 eV unterhalb des Ionisationsniveaus (14) für diese Teilchen liegt.

39. Vorrichtung nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch eine vierte Einrichtung (80, 90) zum Anlegen eines elektrischen und eines magnetischen Feldes an die Teilchen-Umgebung, die Teilchen der einen Isotopenart enthält, die durch die energiereichen Teilchen stoßionisiert sind, um Beschleunigungsimpulse auf die ionisierten Teilchen der Umgebung zu newirken.

40. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (30) ein Glied hat, um Strahlungsenergie mit mindestens drei Wellenlängen einzuspeisen, wobei die Strahlungsenergie in mindestens einer Wellenlänge eine ausreichend schmale Bandbreite aufweist, um die Teilchen der einen Isotopenart ohne Anregung der Teilchen der anderen Isotopenarten in der Umgebung anzuregen.

41. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß

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die drei Wellenlängen ungefähr im roten und im rot-orangen Spektralbereich liegen.

42. Vorrichtung zum selektiven Ionisieren von Atomen einer Uran-Isotopenart ohne entsprechende Ionisation der anderen Uran-Isotopenarten, gekennzeichnet durch

eine Uranmetall-Verdampfereinrichtung (60), die einen Uran-Dampfstrom (82) erzeugt,

wobei die Uranmetall-Verdampfereinrichtung (60) ein Glied hat, das Elektronen-Ionen-Paare im Urandampf erzeugt, die im allgemeinen Ladung sneutralität im Dampfstrom (82) aufrechterhalten, so daß die dadurch erzeugten Elektronen im Dampf strömen können, und

eine Einrichtung (30) zum Einspeisen von mindestens zwei Wellenlängen

einer Laserstrahlung in Impulsen von wenigstens 1,0 mJ/cm Gesamtimpuls-Energiedichte mit mindestens einer Wellenlänge mit Isotopenselektivität in ihren Photonenenergien, um eine Anregung der einen Uran-Isotopenart ohne entsprechende Anregung der anderen Isotopenkomponenten im Dampfstrom (82) zu bewirken,

wobei die Laserstrahlung für die (mindestens) beiden Wellenlängen im allgemeinen im sichtbaren Spektralbereich liegt und Photonenenergien aufweist, die eine Gesamtanregung der Atome der einen Uran-Isotopenart bis zu einem Rydberg-Niveau (12) der Anregung bewirken, das einen kleinen Bruchteil eines eV unterhalb des Ionisationsniveaus (14) für das eine Uran-Isotop liegt, und

wobei die im Dampfstrom (82) erzeugten Elektronen eine Energie aufweisen, die Stoß ionisation der Atome des einen Ur an-Isotops beim angeregten Isotop-Rydberg-Niveau bewirkt.

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